Химико-термическая обработка стали. 2

Министерство  Образования и Науки Российской Федерации

… 
 

                                                            Кафедра МВТМ 
 

Реферат

«Химико-термическая  обработка стали» 
 
 
 

                                          Выполнила: …

                                          Группа: …

                                          Проверила: … 
 
 
 
 
 

Казань  – 2010

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………..…...3

Общая характеристика процессов химико-термической  обработки сталей……...4

Цементация………………………………………………………………………….….6

Азотирование………………………………………………………………………...10

Цианирование…………………………………………………………………….….13

Диффузионная металлизация………………………………………………………..16

Заключение…………………………………………………………………………….20

Список  используемой литературы…………………………………………………...21 
 
 
 

Введение

      Химико-термической  обработкой называется обработка, заключающаяся  в сочетании термического и химического  воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (C, N, Al, Cr, Si  и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

      Химико-термическая  обработка нашла широкое применение в машиностроении. Большое число деталей массового применения подвергается цементации (науглероживанию), нитроцементации (азотонауглероживанию) и азотированию.

      Широкое применение химико-термической обработки  объясняется тем, что большинство  деталей и механизмов работают в  условиях износа, кавитации, циклических  нагрузок, коррозии (химической, электрохимической) при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. Химико-термическая обработка, повышая твердость поверхности, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

Общая характеристика процессов  химико-термической  обработки стали 

     Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии:

  1. Выделение диффундирующего элемента  в атомарном состоянии благодаря  реакциям, протекающим во внешней  среде; 

  2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

  3. Диффузия атомов насыщающего  элемента вглубь металла.

     Скорость  диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При  насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые  растворы внедрения, диффузия протекает  быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

     Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности  насыщения (рис. 1).

  Рис. 1. Зависимость толщины  диффузионного слоя от продолжительности  насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

     Концентрация  диффундирующего элемента на поверхности  зависит от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого  элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1,в).

     Природа первичных образований, фазовый  состав и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут  быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель – диффундирующий элемент.

     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.

     Цементация 

     Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают  два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

     Целью цементации является получение твердой  и износостойкой поверхности, что  достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей  закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка  одновременно повышают и предел выносливости.

     Для цементации обычно используют низкоуглеродистые  стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом  при цементации, сохранял высокую  вязкость после закалки.

     Для цементации детали поступают после  механической обработки с припуском  на шлифование 0,05 – 0,10 мм или после  окончательной обработки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем  меди (0,02 – 0,05 мм), которую наносят  электролитическим способом, или  изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной  глины, песка и асбеста или  окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.

     Рассмотрим механизм образования и строение цементованного слоя. Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH₄ и др.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

     Цементация, как правило, проводя т при  температурах выше точки Ас₃, при которых устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.

     При температуре цементации (выше точки  Ас₃) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада: феррита и цементита (рис. 3,а). Концентрация углерода при этом обычно не достигает предела насыщения (C_max) при данной температуре.

Рис. 3. Диаграмма состояния  Fe - Fe₃C (а), изменение содержания углерода, твердости после закалки (б), и микроструктуры после медленного охлаждения (в, х 250) по толщине цементованного слоя. 
 

     Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности  к сердцевине детали (рис. 3,б). В связи  с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 3,в): заэвтектоидную 1, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку бывшему зерну аустенита; эвтектоидную 2, состоящую из одного пластичного перлита, и доэвтектоидную 3 – из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

     Легирующие  элементы, присутствующие в стали, оказывают  влияние на структуру цементируемого слоя, механизм его образования и  скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующих  элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного  слоя – аустенит и карбиды, имеющие  глобулярную форму. В этом случае средняя суммарная концентрация углерода на поверхности может превышать  растворимость углерода в аустените при данной температуре. Нередко концентрация углерода в сталях, содержащие Cr, Mn, W, Mo или V, достигает 1,8 – 2,0%.

     Легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, на толщину слоя практически влияния не оказывают.

        При цементации твердым  карбюризатором насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементированном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению

  2CO→CO₂ + C_ат.

     Углерод выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:

  BaCO₃ + C→BaO + 2CO.

     Газовая цементация осуществляется путем нагрева изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

     В случае газовой цементации можно  получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость  прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность  полной механизации процессов и  значительно упрощается последующая  термическая обработка изделий, так как можно производить  закалку непосредственно из цементационной печи.

     Наиболее  качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (CH₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана:

  2CO→CO₂ + C_ат.

  или

  CH₄→2H₂ + C_ат,  Cат→Feγ=аустенит  Fe_γ(С).

     Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

     В большинстве случаев, особенно при  обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки  Ас₁ (сердцевины) при 820 – 850˚С.

     Это обеспечивает измельчение зерна  и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840 – 860 ˚С, для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали.

     Заключительно операцией термической обработки  цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое, отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.  

     Азотирование 

     Азотированием называют процесс диффузионного  насыщения поверхности слоя стали  азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его  износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких  средах, как атмосфера, вода, пар  и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 600 ˚С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 ˚С.

     Рассмотрим механизм образования азотированного слоя. В сплавах железа с азотом образуется следующие фазы (рис. 6): твердый раствор азота в α-железе (α-фаза); γ´-фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₄N (5,7 – 6,1% N); ε-фаза – твердый раствор на базе нитрида железа Fe₃N (8 – 11,2% N). В сплавах с 11,35% N при 450 ˚С возможно образование ξ-фазы Fe₂N.

     При температуре выше 591 ˚С существует γ-фаза, представляет собой твердый раствор азота в γ-железе. При 591 ˚С γ-фаза претерпевает эвтектоидный распад. Азотистый эвтектоид содержит 2,35% N и состоит из α-γ̒-фаз.

     Азотирование  проводят в атмосфере аммиака, который  при нагреве диссоциирует по уравнению

2NH₃ → 2N + 6H

     Твердость слоя, получаемого при азотировании железа, невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают особо  высокую твердость и износостойкость. При азотировании легированных сталей образуются нитриды специальных  элементов. При низких температурах азотирования в α- твердом растворе образуются сегрегации типа зон Гинье – Престона. При высоких температурах возникают дисперсные нитриды легирующих элементов (Cr₂N, Mo₂N, VN и др.). Зоны Гинье – Престона и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Наиболее сильно повышают твердость алюминий, хром, молибден и ванадий. Стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и не содержащие алюминия, после азотирования имеют твердость HV 600 – 950. Эти стали часто применяют для азотирования.

     Технологический процесс предусматривает несколько  операций, приведенных ниже:

1. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

  Закалку стали, например, 38Х2МЮА выполняют  с нагревом до 930 – 950 ˚С с охлаждением в воде или масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600 – 675 ˚С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска – сорбит.

2. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.
3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01 – 0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.
4. Азотирование
5. Окончательное шлифование или доводка изделия.

     В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия  в следствие увеличение объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении  температуры азотирования и толщины  слоя.

     Для ускорения процесса азотирования нередко  применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520 ˚С, а затем при 540 – 560 ˚С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печкой в потоке аммиака (до 200 ˚С) во избежание окисления поверхности.

     Азотирование  чаще ведут в шахтных печах  с принудительной циркуляцией газа и максимальной рабочей температурой 600 или 700 ˚С.

     Существует также  азотирование в жидких средах (тенифер – процесс). Его проводят при 570˚С в течении 0,5 – 3,0 ч в расплавленных цианистых слоях . Соли расплавляются в тигле из титана. Вследствие низкой температуры в сталь диффундирует в основном азот, образующийся при разложении цианистых солей. В результате обработки на поверхности стали возникает тонкий (7 – 15 мкм) карбонитридный слой Fe₃(N, C), обладающий высоким сопротивлением износу и не склонный к хрупкому разрушению. Этот процесс за рубежом широко применяется для обработки деталей автомобиля (коленчатых валов, шестерен и т. д.), штампов, пресс-форм и т. д. 
 
 

Цианирование

     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.

      Низкотемпературное  цианирование осуществляется при температурах 540-560˚С в расплавленных цианистых слоях. Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,2 – 0,4 мм. Длительность процесса 1 – 1,5 часа.

        Среднетемпературное цианирование.

  В этом процессе изделия нагревают  до 820 – 950 ˚С в расплавленных слоях, содержащих NaCN. Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется кислородом воздуха, и происходят следующие реакции:

  2NaCN + O₂ → 2NaCNO₃;

  2NaCNO + O₂ → Na₂CO₃ + CO + 2N;

  2CO → CO₂ + C_ат.

  Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей.

  Высокотемпературное цианирование.

Для получения  слоя большой толщины (0,5 – 2,0 мм) применяют  высокотемпературное или глубокое цианирование при 930 – 950 ˚С.

  При цианировании в ванне протекают  следующие реакции:

  BaCl₂ + 2NaCN → 2NaCl + Ba(CN)₂;

  Ba(CN)₂ → BaCN₂ + C;

  BaCN₂ + O₂ → BaO +CO + 2N.

      При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода в  слое. Поэтому в цианированном слое количество остаточного аустенита всегда больше, чем в нитроцементованном. 
В связи с этим сжимающие напряжения создаются в цианированном слое лишь на некотором расстоянии от поверхности, что приводит к снижению предела выносливости стали. Этим и объясняется меньшая долговечность цианированных деталей по сравнению с нитроцементованными.

      Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840..860°С  -  нитроцианирование, в жидкой среде - при температуре   820...950°С - жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.

      Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.

      Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая на поверхности тонкий нетравящийся карбонитридный слой (что бывает не всегда), корродирует медленнее нецианированной стали. Например, в 3%-ном растворе поваренной соли стойкость такой стали против коррозии в 2 раза выше, чем нецианированной. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей после нитроцементации и цианирования снижается.

      «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 (диффузионное насыщение металлами) 

      Диффузионная  металлизация—процесс насыщения поверхностей стальных деталей различными металлами. Наиболее часто применяют металлизацию алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование) и бором (борирование). Одновременное насыщение поверхностей хромом и алюминием или хромом и вольфрамом называют хромо-алитированием, хромо-вольфрамированием. В результате диффузионной металлизации повышаются жаростойкость (окалиностойкость) до 1100°С, износостойкость, твердость (до 2000) и коррозионная стойкость стальных деталей. Диффузионной металлизации подвергают стальные детали и детали из цветных сплавов и из чугуна (алюминиевые цилиндры мотоциклетных двигателей, верхние поршневые кольца из чугуна)

        В зависимости от метода переноса диффузионного элемента насыщаемую поверхность различают  следующие основные способы диффузионной металлизации:

  1. Погружением в расплавленный  металл, если диффундирующий элемент  имеет низкую температуру плавлением (например, алюминия, цинк);

  2. Из расплавленных солей, содержащих  диффундирующий элемент (с электролизом  и без электролиза);

  3. Из сублимированной фазы путем  испарения диффундирующего элемента; 4. Из газовой фазы (контактным  и неконтактным методом), состоящий из галогенных соединений диффундирующего элемента.

     Галогенные  соединения диффундирующего элемента получают путем воздействия галойдного или галойдоводородного газа на этот элемент или его ферросплав:

  Э + nНГ ↔ ЭГ_n + H₂.

  На границе  раздела газовая фаза – обрабатываемая поверхность могут протекать  следующие реакции:

  1. Реакция  обмена; ЭГ_n + Fe ↔ FeГ_n + Э;

  2. ЭГ_n ↔ Э + Г_n;

  3. Реакция  диспропорционирования: ЭГ_n ↔ Э + ЭГ_m,

   где Э – диффундирующий элемент; Г – соответствующий галоид (Cl, F, J, Br) и n и m – стехиометрические коэффициенты (целые числа).

  В последние годы насыщение металлами (например, хромом) производится путем  испарения диффундирующего элемента в вакууме. Ниже дана характеристика наиболее часто применяемых процессов  диффузионной металлизации.

Рис. 9. Микроструктура диффузионных слоев (х 250):

  а – алитированный слой на железе (α-фаза); б – хромированный слой на железе (α-фаза); в - хромированный слой на стали, содержащей 0,45% С, состоящий из карбида (Fe, Cr)₇C₃; г – силицированный слой на стали, содержащей 0,4% С (α-фаза); д – борированный слой на стали, содержащей 0,8% С (FeB и Fe₂B).

     Алитирование.

     Алитированием называют насыщение поверхности  стали алюминием. В результате аллитирования сталь приобретает высокую окалиностойкостью (до 850 – 900 ˚С), так как в процессе нагрева на поверхности аллитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al₂O₃, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.