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.
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.
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.
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
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.
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.
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.