Химико-термическая обработка

ВВЕДЕНИЕ

     Мы живем в век технологического процесса.

     Создаются все новые высокопроизводительные машины, строятся высотные здания, увеличиваются скорости транспортных машин, вздымают ввысь реактивные самолеты. Все это требует повышения прочности и надежности материалов, из которых изготовляются такие машины и сооружения. Основным материалом во всех отраслях промышленности является сталь. Трудно назвать область народного хозяйства, будь то машиностроение, строительство, приборостроение, сельское хозяйство и т. д., где бы не применялась сталь. Вот почему усилия ученых, инженеров и рабочих постоянно направлены на то, чтобы повысить качество стали, увеличить ее прочность и долговечность. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Химико-термическая  обработка

    Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки-поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.

     Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий :

-диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов

-диффундирующего элемента .Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;

-адсорбиции, т.е. кантактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.

Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.

 

2.Виды химико-термической  обработки

   Наиболее распространенные виды химико-термической обработки стали — цементация, азотирование и цианирование. Некоторые методы упрочения поверхности металлических изделий приведены на рис. 96 (I— индукционная закалка, II — цианирование, III — нитроцементация, IV — газовая цементация, V — цементация, VI — цементация в твердом карбюризаторе, VII — азотирование, VIII —диффузное хромирование.

 

 

Цементация

     Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.

Цементацией подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (до 0,25% ), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.) .

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,10мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, наносимым электрическим способом, или специальными обмазками ,состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.

Цементация осуществляется при температурах выше 900-950с. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь металла.

 В результате цементации  содержание углерода в поверхностном  слое составляет 0,8-1,0 %. Более высокая  концентрация углерода способствует  охрупчиванию цементованного слоя.

Среда, в которой проводят цементацию, называют карбюризатором.

Цементация в твердой среде

     Карбютизатором является активированный древесный уголь, а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы – углекислый барий, кальцинированную соду, поташ в количестве 10-40% от массы угля.

Обычная рабочая смесь, применяется для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75% отработанного.

     Подготовленнные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой детали засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей.

     Повышенная температура цементации до 950-1000с позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

     После цементации  детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью HRC 60-63.

     Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных из малоуглеродистого мартенсита.   

Цементация пастами

     Процесс заключается в нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя вещества в виде суспензии, обмазки или шликера, в сушке и последующим нагреве. Вид пасты определяет технологию ее нанесения. Паста сравнительно жидкой консистенции наносится на детали окунанием, а более густо-с помощью кисти. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше заданной глубины цементованного слоя. Основными компонентами паст являются сажа и кальцинированная сода, кокс малосернистый, сода или поташ.

     Высушенные детали аккуратно, чтобы не повредить слой пасты, укладывают одна на другую в ящик и закрывают его крышкой. Ящик загружают в печь с температурой 950-1050с; чем выше температура нагрева, тем меньше длительность процесса. Кроме того, для нагрева деталей можно применять токи высокой и промышленной частоты.

     По окончанию выдержки детали охлаждают в ящиках на воздухе. Можно осуществить также подсуживание до закалочной температуры и произвести закалку непосредственно с цементационного нагрева.

Газовая цементация

      В настоящие время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечивать более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.

     Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного печах непрерывного действия.

При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол.

     В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода .

     Под углеродным потенциалом атмосферы понимают  определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3-1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода 0,8%.

     После газовой цементации применяют закалку непосредственно из цементационной печи предварительно сделав подстуживание до температуры 850-830с. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180с.

Азотирование

     Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650с. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.

     При азотировании легированных сталей азот образуется с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость.

     Твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает  HV 11000-12000.

     Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.

     Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки.

     Обычно процесс азотирования ведут при температурах 500-520с. В этом случае получают толщиной до 0,5мм за 24-90ч.

     В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров детали.

Процесс жидкого азотирования осуществляется при температуре 570с в расплаве цианосодержащих солей. В ходе процесса расплав непрерывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превращения цианида в  цианат, являющийся поставщиком атомов углерода и азота.

Менее  распространены процессы азотирования в бесцианистых солях, содержащих азот и в расплавах нейтральных солей, через которые продувают аммиак.

     Широкое применение получает ионное азотирование. По сравнению с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность процесса, более высокое качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.

     Рабочее давление  в камере печи составляет 130-1300Па. При более высоком давлении тлеющий разряд становится менее стабильным и чаще переходит в дуговой. Это может вызвать перегрев поверхности и даже ее оплавление.  

Цианирование и нитроцементация

     Цианирование называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.

     На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода  в слое, снижает температуры- к увеличению содержания азота.

     Толщина цианированного слоя также зависит от температуры-и продолжительности процесса. Для цианирования применяют стали, содержащие 0,3-0,4% углерода.

     Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NACN. Примерный состав ванны следующий:20-25% NACN; 25-50% Nacl и 25-50% Na2CO3.

Первый состав применяют для цианирования при 820-850С, второй -при 900-950С.

     Цианирование при температурах 820-850С позволяет осуществлять закалку непосредственно из ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск. Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC 59-62.

     Цианирование при температурах 820-850С позволяет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 минут. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочрость.

     После цианирования детали охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск.

Недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.

 

 

Нитроцементация

     Нитроцементацию осуществляют при температурах 840-860С в газовой смеси из неуглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1-10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1 мм.

     После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160-180С.

Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540-560С в расплавленных цианистых солях.

     Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,02-0,04мм твердостью HV 9500-11000. Длительность процесса 1-1,5 часа.

     Нитроцементация в твердых смесях применяется для повышения стойкости инструментов из быстрорежущей стали. Инструменты укладываются в металлические ящики и пересыпаются смесью, состоящей из 60-80% древесного угля и 20-40% желтой кровяной соли или другого состава. Потом ящики закрывают и устанавливают в печь с температурой 550-560С. После выдержки 2-3ч ящики выгружают из печи и охлаждают до 200-100С. Затем ящики раскрывают и вынимают инструмент, очищая металлическими щетками.

Хрупкость слоя возникает при пересыщении слоя углеродом и азотом, когда образуется сетак или сплошная корка карбонитридов у самой поверхности.

«Темная составляющая» в структуре возникает после нитроцементации в виде темной разорванной или сплошной сетки, обнаруживаемой на нетравленных микрошлифах. Причина: повышенная концентрация азота, увеличение времени выдержки и появление окисляющих газов в рабочем пространстве печи.

Диффузионная металлизация

     Диффузионной металлизация-это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.

     При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие из ферросплавов с добавлением хлористого аммония в количисве 0,5-5%.

     Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный  металл (например цинк, алюминий).

     При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах .

     Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы – твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими.

Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температуре 900-1200С.

Алитирование

     Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость  и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

     При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик.

     Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстрой и более низкой температурой.

     Основным недостатком является- налипание алюминия на поверхность детали.

     Алитированные стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.

Алитированием подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д.

Хромирование

     Хромирование проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости и т.д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.

     Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных смесях. Процесс происходит при температуре 1000-1050С.Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Карбидный слой имеет высокую твердость HV 12000-13000. Толщина хромированного слоя достигает 0,15- 0,20 мм при длительности процесса 6-15ч.Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.

     Иногда применяют хромирование в вакууме. Издели засыпают кусочками хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную печь.

     Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей.

Борирование

     Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3мм, твердость HV 18000-20000.

     Широкое распространение получил метод электролизного борирования в расплавленных солях, содержащих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавленной бурой. Температура процесса 900-950С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями, в которые добавляют порошкообразный ферробор или карбид бора.

     Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штампы.

Силицирование

     Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.

     Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в а-железе. Силицированный слой несмотря на низкую твердость (HV 2000-3000) и пористость после пропитки маслом при температуре 170-200С имеет повышенную износостойкость.

     При газовом силицировании при температуре 1000С в течение 2-4ч образуется слой толщиной 0,5-1,0 мм.

     Силицированием подвергают детали, применяемые а оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности.

Сульфидирование

     Сульфидирование-термохимический процесс обработки изделий, изготовленных из сплавов на железной основе для обогащения их поверхностных слоев серой. Разновидностью сульфидирования является сульфоцианирование, при котором происходит насыщение поверхности ферросплава серой, азотом и углеродом.

     Сульфидный слой и продукты его износа, имея высокую адсорбционную способность, ускоряют приработку и предотвращают задир.          Сульфоцианирование позволяет осуществить замену бронзовых тяжело нагруженных подшипников на стальные. Долговечность подшипников увеличивается на З0 - 40%. Исследования показали возможность замены бронзы сульфоцианированным чугуном в червячных колесах, работающих со скоростью сцепление около 2 м/с.

Фосфатирование

     Фосфатирование - процесс образования на поверхности металла пленки нерастворимых фосфорнокислых солей. Есть положительный опыт фосфатирования поршневых колец двигателей внутреннего сгорания, цилиндрических гильз и втулок крупногабаритных двигателей, шатунов и зубчатых колес. Тонкая фосфатная пленка с последующей пропитки ее маслом защищает от коррозии гайки, болты и другие крепежные элементы. Фосфатное покрытие используется как подслой для дисульфида молибдена, что увеличивает прочность сцепления и устраняет заусенцы на поверхности.

Обезуглероживание

     Химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном удалении углерода из поверхностного 

Обезводороживание

     Химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном удалении водорода из стали

Азотоуглероживание (высокотемпературное цианирование)

     Химико-термическая обработка, при которой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом в интервале температур 800–950 °С.

 

 

Углеродоазотирование (низкотемпературное цианирование)

     Химико-термическая обработка, при которой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя стали одновременно азотом и углеродом в интервале температуре 450–650 °С 

Титанирование

     Химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали титаном 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     В данной работе я рассмотрела понятия химико-термической обработки сплавов.

     К химико-термической обработке относятся такие виды обработки сплавов,как: цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, борирование, силицирование, диффузионная металлизация стали и др.

     Одним из наиболее эффективных и универсальных процессов химико-термической обработки является борирование.

     Борирование применяют для повышения износостойкости поверхностного слоя стального изделия, в частности, при повышенных температурах, повышения его твердости и износостойкости.

     Химико-термическая обработка в структуре технологического процесса меняет химический состав и свойства поверхностного слоя детали. Так, в процессе цементации происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. Процесс цементации применяется для деталей, от которых требуется, наряду с общей прочностью, высокая твердость и стойкость против износа поверхности.

     К таким деталям относятся шестерни, втулки, кулачковые валики и т. д. Если изготовить, например, зубчатые колеса из углеродистых сталей У10, У12, то высокая твердость и износостойкость боковых поверхностей зубьев в работе будет обеспечена. Но в случае возникновения ударных нагрузок произойдет поломка. Значит, нужно сделать сердцевину колес более вязкой, а боковые поверхности зубов - более твердыми.

     Если нужно повысить прочность детали, то применяют легированную сталь с тем же процентным содержанием углерода. Затем поверхность детали насыщается углеродом, проводится закаливание. В результате поверхность закаливается на высокую твердость, а сердцевина получается прочной и вязкой.

     Таким образом химико-термическая и химическая обработки, за счет изменения физико-химического состояния материала детали и ее поверхностного слоя повышают устойчивость против износа, прочность, жаростойкость и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

     1.Каменичный И.С Краткий справочник технолога-термиста – М: Оборонгиз, 1963. -298 с.

     2.Лахтин Ю.М., Рахштадт А.Г.Термическая обработка в машиностроении – М: ОЛМА-ПРЕСС, 1980. -426 с.

     3.Сальников С.П. Краткий справочник машиностроителя – М: Машиностроение, 2001. -312 с.

     4.www.ucheba.ru

     5.www.erudition.ru

     6.www.chemport.ru

     7.www.naukaspb.ru

      8.Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 360 с.

     9.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.