Химико-термическая обработка стали.
Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять его свойства. При химико-термической обработке в отличие от термической обработки изменяется не только строение, но и химический состав поверхностного слоя.
Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий: 1) выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2) контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (абсорбция); 3) диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.
Для стальных деталей применяют насыщение углеродом (цементация), азотом (азотирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), алюминием (алитирование).
7.1. Цементация.
Это процесс насыщения поверхностного слоя углеродом с целью получения твердой износостойкой поверхности и мягкой, вязкой сердцевины.
Вязкая сердцевина хорошо сопротивляется ударному и знакопеременному нагружению. Цементацию применяют для деталей типа: зубчатые колеса, валы, пальцы, кулачки, червяки и др.
Для цементации применяют широко распространенные недефицитные, дешевые низкоуглеродистые стали с 0,15÷0,25%С не поддающееся закалке.
После цементации такие стали идут взамен дорогостоящих, дефицитных, легированных.
Исходную среду для цементации называют карбюризатором. В основном применяют два способа цементации:
• в твердом карбюризаторе;
• в газовой среде.
Оба процесса идут в газовой фазе. Твердый карбюризатор состоит из древесного угля с добавкой 20-25% углекислого бария BaCO3 и 3-5% Na2CO3. BaCO3 – для интенсификации процесса цементации. Na2CO3 (сода) – для предотвращения спекания карбюризатора. Детали укладывают в стальной ящик на расстоянии не менее 25 мм друг от друга и стенок. Ящик помещают в печь с температурой 910-930°С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом воздуха в контейнере с образованием оксида углерода СО:
2С+О2→2СО
Цементация осуществляется газом, образующемся в цементационном ящике. Кроме того оксид углерода образуется в результате разложения солей и реакции с углем:
BaCO3→BaO+CO2
CO2+C→2CO
На поверхности детали идет процесс цементации за счет реакции диссоциации и образования атомарного углерода:
2СО↔СО2+Сат
В результате Сат адсорбируется поверхностью детали, находящейся в аустенитном состоянии, а СО2 взаимодействуя с углем, образует новые порции СО:
СО2+С→2СО
При газовой цементации в качестве карбюризатора используется разбавленный природный газ, состоящий почти полностью из метана
СН4→2Н2+Сат
Газы карбюризатора диссоциируют с выделением атомарного С. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода или метана:
2СО→СО2+Сат или
СН4→2Н2+Сат;
Сат→γFe=аустенит γFe (С)
Преимущества газовой цементации:
• сокращение длительности в 3-4 раза;
• легкая регулировка (механизация, автоматизация);
• упрощение термической обработки.
Структура цементованного слоя
Степень цементации – характеризует среднее содержание углерода в поверхностном слое, 0,8÷1,0%С. Толщина цементованного слоя колеблется в пределах 1÷3,0 мм, время выдержки 6÷12 часов.
После цементации детали подвергают окончательной термической обработке, состоящей из закалки и низкого отпуска.
Окончательная структура:
• на поверхности М+Цзерн (HRC=60-65);
• в сердцевине Ф+П.
Нагрев до температуры цементации 7÷9 мин на каждый сантиметр линейного размера ящика. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400÷500°С и затем раскрывают.
1) – древесный уголь +40%BaCO3;
2) – древесный уголь.
Задача цементации – получить высокую НВ и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Последующая закалка с получением мартенсита на поверхности и с сохранением низкой твердости и высокой вязкости сердцевины, является операцией, окончательно формирующей свойства цементованной детали.
7.1.1. Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных сталей.
Термической обработкой можно исправить структуру путем измельчения зерна сердцевины и цементованного слоя, увеличиваеющихся во время длительной выдержки при цементации; получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины, устранить цементитную сетку в цементованном слое.
После газовой цементации закаливают без повторного нагрева, непосредственно из цементованной печи после подстуживания изделий до 840÷860°С. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины. Используют для наследственно мелкозернистой стали.
После цементации в твердом карбюризаторе термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска (рис. 49). Первая – 880-900°С для исправления структуры сердцевины, т.к. получим из феррито-перлитной структуры мелкозернистый аустенит. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь не образуется при быстром охлаждении. Вторая закалка – 760-780°С – для устранения перегрева цементованного слоя (измельчение зерна) и придание ему высокой твердости (поверхностный слой – заэвтектоидная сталь).
Структура после закалки мартенсит и небольшое количество цементита. Низкий отпуск переводит Мзак в Мотп. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC 60-65, для легированных HRC 58-61 (больше Аост).
Термическая обработка после цементации в твердом карбюризаторе состоит ,ольше ,jkmit х истой стали составляет (измельчение зерна) ся при быстром охлажднии.А. чи послеаетсй свойстватью из метана цириз двух последовательных закалок и низкого отпуска.
Рис. 49. Схема режимов термообработки после цементации.
III – для снятия напряжений, возникающих при закалке и для придания закаленному высокоуглеродистому слою некоторой пластичности.
7.2. Азотирование стали.
Азотированием называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом при нагреве стали в аммиаке NH3. Азотирование применяется для повышения износостойкости, сопротивление коррозии и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валки и др.).
До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску на сорбит и чистовой обработке. После азотирования детали никакой термической обработке не подвергаются, а только шлифуются или полируются.
Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесение тонкого слоя олова (Sn) или жидкого стекла (0,01÷0,015мм). Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой, непроницаемой для азота пленки.
Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше его толщина. Снижение твердости связано с коагуляцией нитридов легирующих элементов.
Азотированию подвергаются среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Cr, Mo, Al, V, Ti. Например сталь 38Х2МЮА.
Это связано с тем, что легирующие элементы входят во взаимодействие с атомарным азотом, образуя твердые частицы на поверхности - нитриды Cr2N; Mo2N; AlN; VN, которые и увеличивают твердость поверхности.
Технология:Обычное азотирование проводят при 500¸600°С, через который пропускают аммиак, который диссоциирует по реакции: 2NH3®2Nат+3H2. Образовавшийся Nат диффундирует в металл.
Процесс азотирования весьма длительная операция. Так для получения толщины азотируемого слоя 0,5 мм время выдержки при 500¸520°С равно 55 часов. Обычно при азотировании желательно иметь слой 0,3¸0,6 мм. По сравнению с цементацией азотируемый слой более твердый (HRC 72). При азотировании детали работают до 550¸600°С, а при цементации максимум 220°С. Структура: поверхность – нитриды и сорбит, сердцевина – сорбит. Недостаток – длительность процесса.
Строение цианированного слоя аналогично цементуемому, но он обладает более высокой износостойкостью и пределом выносливости (s-1).
7.3. Цианирование сталей.
Под цианирование понимают процесс одновременного насыщение стали азотом и углеродом.
Цианирование проводят в твердых, жидких и газообразных (нитроцементация) средах. Производительность цианирования и качество поверхности выше, чем при цементации.
Различают:
- низкотемпературное цианирование температура 570°С – карбонитрация (тенифер-процесс)
- среднетемпературное цианирование температура 820¸860°С
- высокотемпературное цианирование температура 930¸950°С
Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхности стали, содержащей (0,2% - 0,4% С) азотом и углеродом из газовой фазы.
Преимущества:
- азот способствует диффузии углерода, поэтому температура 850° С и получается такое же науглероживание, как при цементации.
- уменьшается рост зерна и закалку можно проводить сразу после нитроцементации и давать низкий отпуск (160¸180°С) HRC 58…64. Средой является смесь цементующего газа (природный +3¸5% NH3). Время выдержки – 4…10 часов. Толщина слоя 0,2¸0,8 мм.
В поверхностном слое образуется карбонитриды, этот слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.
Структура нитроцементованого слоя: М+Аост+карбонитриды. Нитроцементация используется для упрочнения поверхностей не шлифуемых деталей на автотракторных заводах.
Одновременное насыщение азотом и углеродом проводят при температуре 820°¸860° в расплавленных слоях, содержащих цианистый Na.
Состав ванны:
20¸25% NaCN, 25¸50% NaCl, 25¸50% Na2CO3 за 1 час выдержки получают слой толщиной 0,15¸0,3 мм который после закалки из ванны и отпуска при 200°С дает HRC 58¸62. Длительность процесса 30¸90 мин.
Нейтральные соли NaCl и Na2CO3 добавляют для повышения температуры плавления, что снижает испарение дорогих и ядовитых солей. Недостаток цианирования - ядовитость.
Применение: для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбонитрацию.
Режимы: температура расплава 530°¸570°С, время выдержки (t) – 5..30 мин.
Преимущества: не ядовитость, сокращение времени, малая деформация и коробление.
7.4. Диффузионная металлизация.
Для многих деталей теплоэнергетики требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислению в рабочей среде при высоких температурах.
Алитирование – это процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость, до (900°С), так как на поверхности изделия образуется плотная пленка Al2O3, предохраняющая металл от окисления. Кроме того алитируемый слой обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и морской воде.
Концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%, толщина слоя 0,2¸1 мм, твердость HV 500, износостойкость – низкая. Применение: клапаны, разливочные ковши, чехлы термопар, детали газогенераторных машин.
Хромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом. Хромирование увеличивает стойкость против газовой коррозии (окалиностойкость) до 800°С, коррозионную стойкость: в воде, морской воде и азотной кислоте, твердость и износостойкость HV 1200¸1300.
Для деталей, работающих в агрессивных средах хромированный слой должен иметь толщину 0,1¸0,15 мм, для деталей, работающих в условиях сильного износа, 0,03 мм.
Хромирование применяют для деталей паросилового оборудования, клапанов, вентилей, патрубков.
Силицирование – насыщение поверхности стали кремнием с целью придания стали высокой коррозионостойкости в HCl, HNO3, H2SO4 и в морской воде.
Процесс ведут при 900¸1000°С в течении 2¸5 часов, глубина слоя 0,3 – 1,0 мм, содержание Si=14%, образующаяся пленка SiO2 предохраняет от дальнейшего окисления. Силицированный слой отличается повышенной пористостью. Несмотря на низкую тведость (HV 200-300), силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при 200°С.
Вопросы для повторения раздела.
1. Чем отличается химико-термическая обработка от термической обработки стали?
2. Какова цель цементации и азотирования?
3. Укажите структуру и температуры эксплуатации деталей после цементации и азотирования.
4. При каких температурах проводится цементация?
5. Какая термообработка и зачем проводится после цементации?
6. Что понимают под диффузионной металлизацией?
Дата добавления: 2016-12-16; просмотров: 2767;