Лабораторная работа
Химико-термическая обработка стали
1.Общие сведения
Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.
Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
1. Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2Nh4 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
3. Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
2. Цементация стали
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.
Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали gприпуском на шлифование 0,05—0,10 мм.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.
На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.
Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3 или Na2 CO3. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:
2С + О2 → 2СО,
ВаСО3 + С → ВаО + 2СО,
2СО → СО2 + С.
Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.
Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.
Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН4 и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.
После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
3. Азотирование стали
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак… Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Nh4 →3H + N.
Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.
По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.
Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.
Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.
4. Цианирование стали
Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.
Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.
При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4 и Nh4. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.
В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.
При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV1000.
После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6— 1,8 мм в течение 3—10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC59—62.
По сравнению с цементированным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.
Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.
5. Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.
Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальная деталь погружается в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом А1С13, CrCl3, SiCl4, которые при температуре 1000—1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.
При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А12 О3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2—0,5 мм.
При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.
Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3—1,0 мм.
Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV1800—2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na2 B2 O7, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2—5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1—0,2 мм.
www.ronl.ru
Лабораторная работа
Химико-термическая обработка стали
1.Общие сведения
Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.
Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2Nh4 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
2. Цементация стали
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.
Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали gприпуском на шлифование 0,05—0,10 мм.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.
На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.
Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3или Na2CO3. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:
2С + О2→ 2СО,
ВаСО3+ С → ВаО + 2СО,
2СО → СО2+ С.
Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.
Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.
Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН4и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.
После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
3. Азотирование стали
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак… Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Nh4→3H+ N.
Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.
По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.
Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.
Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.
Цианирование стали
Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.
--PAGE_BREAK--Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.
При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCNили KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4и Nh4. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.
В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.
При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV1000.
После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6— 1,8 мм в течение 3—10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC59—62.
По сравнению с цементированным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.
Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.
Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.
Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальная деталь погружается в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом А1С13, CrCl3, SiCl4, которые при температуре 1000—1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.
При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А12О3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2—0,5 мм.
При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.
Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3—1,0 мм.
Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV1800—2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na2B2O7, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2—5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1—0,2 мм.
www.ronl.ru
Лабораторная работа
Химико-термическая обработка стали
1.Общие сведения
Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.
Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
1. Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2Nh4 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
3. Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
2. Цементация стали
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.
Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали g припуском на шлифование 0,05—0,10 мм.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.
На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.
Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3 или Na2CO3. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:
2С + О2 → 2СО,
ВаСО3 + С → ВаО + 2СО,
2СО → СО2 + С.
Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.
Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.
Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН4 и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.
После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
3. Азотирование стали
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак.. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Nh4→3H + N.
Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV 1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV 900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.
По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.
Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.
Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.
4. Цианирование стали
Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.
Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.
При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4 и Nh4. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.
В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.
При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV 1000.
После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6— 1,8 мм в течение 3—10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC 59—62.
По сравнению с цементированным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.
Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.
5. Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.
Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальная деталь погружается в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом А1С13, CrCl3, SiCl4, которые при температуре 1000—1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.
При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А12О3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2—0,5 мм.
При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.
Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3—1,0 мм.
Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV 1800—2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na2B2O7, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2—5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1—0,2 мм.
www.referatmix.ru
Лабораторная работа
Химико-термическая обработка стали
1.Общие сведения
Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.
Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
1. Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2Nh4 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
3. Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
2. Цементация стали
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.
Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали gприпуском на шлифование 0,05—0,10 мм.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.
На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.
Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3 или Na2 CO3. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:
2С + О2 → 2СО,
ВаСО3 + С → ВаО + 2СО,
2СО → СО2 + С.
Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.
Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.
Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН4 и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.
После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
3. Азотирование стали
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак… Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Nh4 →3H + N.
Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.
По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.
Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.
Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.
4. Цианирование стали
Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.
Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.
При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4 и Nh4. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.
В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.
При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV1000.
После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6— 1,8 мм в течение 3—10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC59—62.
По сравнению с цементированным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.
Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.
5. Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.
Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальная деталь погружается в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом А1С13, CrCl3, SiCl4, которые при температуре 1000—1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.
При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А12 О3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2—0,5 мм.
При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.
Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3—1,0 мм.
Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV1800—2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na2 B2 O7, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2—5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1—0,2 мм.
www.ronl.ru
Лабораторная работа
Химико-термическая обработка стали
1.Общие сведения
Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.
Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2Nh4 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
2. Цементация стали
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.
Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали gприпуском на шлифование 0,05—0,10 мм.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.
На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.
Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3или Na2CO3. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:
2С + О2→ 2СО,
ВаСО3+ С → ВаО + 2СО,
2СО → СО2+ С.
Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.
Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.
Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН4и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.
После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
3. Азотирование стали
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак… Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Nh4→3H+ N.
Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.
По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.
Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.
Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.
Цианирование стали
Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.
--PAGE_BREAK--Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.
При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCNили KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4и Nh4. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.
В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.
При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV1000.
После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6— 1,8 мм в течение 3—10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC59—62.
По сравнению с цементированным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.
Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.
Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.
Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальная деталь погружается в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом А1С13, CrCl3, SiCl4, которые при температуре 1000—1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.
При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А12О3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2—0,5 мм.
При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.
Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3—1,0 мм.
Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV1800—2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na2B2O7, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2—5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1—0,2 мм.
www.ronl.ru
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.
www.ronl.ru
Лабораторная работа
Химико-термическая обработка стали
1.Общие сведения
Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.
Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
1. Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2Nh4 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
3. Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
2. Цементация стали
Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.
Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали gприпуском на шлифование 0,05—0,10 мм.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.
На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.
Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.
Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО3 или Na2 CO3. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:
2С + О2 → 2СО,
ВаСО3 + С → ВаО + 2СО,
2СО → СО2 + С.
Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.
Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас3, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.
Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН4 и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.
После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.
3. Азотирование стали
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак… Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Nh4 →3H + N.
Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.
По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.
Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.
Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.
4. Цианирование стали
Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.
Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.
При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН4 и Nh4. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.
В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.
При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV1000.
После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6— 1,8 мм в течение 3—10 ч детали подвергают закалке и низкому отпуску, Твердость после термообработки составляет HRC59—62.
По сравнению с цементированным цианированный слой имеет несколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.
Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.
5. Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Детали, поверхность которых насыщена алюминием, хромом, кремнием, бором, приобретают ряд ценных свойств, например жаростойкость, коррозионную стойкость, повышенную износостойкость и твердость.
Металлизация бывает твердая, жидкостная и газовая. При жидкостной металлизации стальная деталь погружается в расплав металла. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом А1С13, CrCl3, SiCl4, которые при температуре 1000—1100 °С вступают в обменную реакцию с железом с образованием диффундирующего элемента в активном состоянии.
При алитировании, т. е. насыщении алюминием, которое обычно проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии, детали приобретают повышенную коррозионную стойкость благодаря образованию плотной пленки А12 О3, предохраняющей металл от окисления. Толщина слоя составляет 0,2—0,5 мм.
При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800 °С, а также стойкость против коррозии в воде, морской воде и кислотах. Толщина слоя составляет до 0,2 мм.
Силицирование, т. е. насыщение кремнием, придает высокую кислотоупорность в соляной, серной и азотной кислотах и применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Толщина слоя колеблется в пределах 0,3—1,0 мм.
Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость (до HV1800—2000), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Борирование часто проводят при электролизе расплавленных солей, например буры Na2 B2 O7, когда стальная деталь является катодом. При температуре около 150 °С и выдержке 2—5 ч на поверхности образуется твердый борид железа и толщина слоя достигает 0,1—0,2 мм.
www.ronl.ru
