Химико-термическая обработка

Химико–термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико - термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является од­ним из наиболее эффективных методов упрочне­ния стальных деталей для повышения их долго­вечности.

Химико-термической обработке можно под­вергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава, поверхност­ного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки явля­ется их малая производительность.

Основные условия проведения химико - термической обработки:

1. Металл, подвергающийся насыщению (основной металл), должен быть помещен в среду, в которой образуются активные атомы диффундирующего вещества.

2. Атомы диффундирующего вещества должны растворяться в основном металле, т. е. компоненты должны образовывать твердые растворы.

Так, например, если атомы основного металла и диффундирующего вещества образуют диаграмму состояния I типа (рис.13, а), в этом случае химико - термическая обработка невозможна.

Химико - термическая обработка возможна, если компоненты образуют твердые растворы. На рис. 4.13, б, в, г, д приведены диаграммы состояния сплавов, для которых возможна химико -термическая обработка.

Рис. 4.13. Связь диаграмм состояния с возможностью химико – термической обработки: химико - термическая обработка невозможна (а); химико - темическая обработка возможна (б), (в), (г), (д)

3. Температура должна быть достаточно высокая, обеспечивающая
подвижность атомов для необходимых диффузионных перемещений.

Любой процесс химико-термической обработки состоит из 3 элементарных процессов:

1) образования во внешней среде активных атомов диффундирующего вещества, например распада (диссоциации) аммиака с выделением активного(атомарного) азота по реакции

2 NH₃ → 2 N _ат + З Н ₂,

диссоциации окиси углерода с выделением атомарного углерода

2 СО → С0 ₂ + С_ат ,

диссоциации метана с выделением атомарного углерода

СН₄ = С + 2Н₂

Скорость диссоциации зависит от газовой среды;

2) абсорбции, т.е. поглощения поверхностью основного металла свободных атомов диффундирующего вещества;

3) диффузии, т. е. перемещения этих атомов внутрь основного металла.

Скорость диффузии зависит от температуры.

Оптимальными условиями химико - термической обработки являются такие, когда скорость диссоциации равна скорости диффузии.

Наиболее распространенными видами хими­ко-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом), цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

Цементация

Процесс химико-термиче­ской обработки, заключающийся в диффузион­ном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде – называется цементацией.

Цемента­ция придает поверхностному слою высокую твер­дость и износостойкость, повышает предел вы­носливости при изгибе и кручении.

Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках — шестерни, поршневые пальцы, распределитель­ные валы и др.

Цементация делится на твердую, газовую и жидкую.

В этом процессе науглероживающим веществом является твердый карбюризатор, в состав которого входят: древесный уголь (лучше березовый) с добавками от 20 до 25 % от веса угля углекислых солей: ВаСОз, СаСО₃, Nа₂СО₃, К₂СО₃, ускоряющих процесс.

Карбюризатор должен быть сухим. Содержание влаги в нем должно быть не более 6 %. Размер частичек карбюризатора должен быть в пределах 8 - 12 мм.

Детали закладываются в металлический ящик и засыпаются карбюризатором. Расстояние между деталями, стенкой ящика и деталью должно быть 20 - 30 мм. Карбюризатор слегка утрамбовывают, ящик замазывают глиной, вставляют "свидетели", затем ящик ставят в подогретую до 600 °С печь и вместе с печью нагревают до температуры цементации 900 - 930 °С. Через некоторое время "свидетели" вынимают, закаливают, ломают и определяют глубину цементированного слоя. Время цементации ориентировочно устанавливают из расчета 0,1 мм в 1 час.

При нагреве углерод образует окись углерода СО, которая при контакте с металлической поверхностью при высоких температурах разлагается по реакции

2СО → С0₂ + С _акт (диффундирует в металл)

С0₂ + С = 2СО реакция вновь повторяется.

Кислород при этом не расходуется.

Одновременно с разложением окиси углерода идет разложение и углекислых солей по следующей реакции:

ВаСОз → ВаО + С0₂

СО₂ + С = 2СО

2СО = СО₂ + С (диффундирует в металл).

Газовая цементация.Газовая цементация осуществляется путем нагрева изделий в газовой среде, содержащей углерод. Для газовой цементации применяются: светильный газ, газ пиролиза керосина, бензола и др.

Наибольшее применение получили газы, получаемые из пиробензола, керосина и др.

Основной составляющей этих газов является метан СН₄. Эти газы могут применяться как в чистом виде, так и в смеси с газами - растворителями. Изделия закладываются в предварительно разогретую муфельную печь, затем в печь подают газ. Температура цементации 930 - 950 °С. При этой температуре происходит диссоциация метана по следующей реакции:

СН₄ → 2Н₂ + С_акт (диффундирует в металл).

Глубина цементированного слоя зависит от температуры и времени цементации. Чем выше температура и больше время цементации, тем больше глубина слоя.

Однако увеличение температуры способствует росту аустенитного зерна, уменьшению срока службы огнеупорного муфеля. Эти недостатки могут быть устранены применением для нагрева токов высокой частоты (т.в.ч.). Температура цементации при этом повышается до 1000 - 1050 °С. За 45-50 мин при этой температуре получают слой глубиной 0,8 – 1,0 мм.

Газовая цементация по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе имеет ряд преимуществ:

1) время цементации сокращается, так как не требуется времени для прогрева большой массы плохо теплопроводного карбюризатора;

2) процесс газовой цементации легко регулировать и контролировать (состави расход газа);

3) процесс легко механизировать и объединить операции цементации с последующей термической обработкой;

4)улучшаются условия труда, сокращается необходимая площадь цеха, не требуется изготовления карбюризатора.

При медленном охлаждении после цементации в поверхностном слое будем иметь структуру заэвтектоидной стали. По мере продвижения вглубь содержание углерода будет постепенно уменьшаться. Структура от перлита и вторичного цементита перейдет к перлиту, далее будет появляться феррит и, чем дальше будем уходить от края образца, количество феррита постепенно увеличивается до исходной структуры - феррита с небольшим количеством перлита (С = 0,1 - 0,2%).

На микроструктурецементованнного слоя можно различить (от поверхности, к сердцевине) три зоны (рис. 4.14, а): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита (1), образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную (2), состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону (3), состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

Рис. 4.14. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения (а) и закалки (б), х200 : 1- заэвтектоидная зона (перлит + цементит в виде тонкой сетки); 2 – эвтектоидная (перлит); 3 – доэвтектоидная зона (перлит –черные, феррит – белые участкм); Х_э – эффективная толщина слоя ( 50 HRC)

Термическая обработка после цементации.Термическая обработка после цементации должна обеспечить не только необходимую твердость и износоустойчивость поверхности, но также преследует цель измельчения зерна, как в сердцевине, так и в поверхностном слое.

Высокие температуры цементации и длительные выдержки способствуют росту зерна аустенита.

На практике существует три режима термической обработки после цементации.

1. Непосредственная закалка с температуры цементации 930 °С (рис. 4.15, а).

Изделия после цементации вынимают из цементационного ящика, охлаждают до 750 °С, затем закаливают в воде или масле, в зависимости от марки стали. После закалки получают на поверхности структуру крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита, внутри - крупнозернистую структуру феррита и перлита. Для уменьшения количества остаточного аустенита можно после закалки обработать сталь холодом. Этот метод является самым дешевым, он нашел широкое применение в массовом производстве при обработке неответственных деталей. Применяя наследственно мелкозернистые стали для цементации, можно избежать роста зерна.

Одинарная закалка.В этом случае изделие после цементации медленно охлаждается до комнатных температур. Затем дают закалку с температуры 850 °С (рис.15, б).

В этом случае благодаря перекристаллизации при нагреве зерно измельчают, структура улучшается, улучшаются и механические свойства.

3. Двойная термическая обработка (рис.15, в).

Изделие после цементации подвергается двойной перекристаллизации при нагреве. Первый нагрев преследует цель измельчения зерна сердцевины, поэтому нагрев стали ведут выше критической точки А_с, (для стали, содержащей 0,2 % С, t = 920 °С). При этой температуре нагрева растворяется и цементитная сетка в поверхностном слое. Охлаждение после выдержки можно вести в масле или на воздухе.

Рис. 15. Схема термической обработки стали после цементации:

непосредственная закалка с температуры цементации (а); одинарная

термическая обработка (б); двойная термическая обработка (в)

Для поверхности, где содержание С > 0,8%, эта температура нагрева будет соответствовать перегреву стали. Поэтому первый нагрев не измельчает зерна в поверхностном слое.

На рис. 4.16 приведена микроструктура стали (С = 0,2) после цементации при температуре 930°С. Практически содержание углерода в поверхностном слое стремятся получить равным 0,8 - 1,0 % С, так как наличие вторичного цементита по границам зерен придает поверхностному слою хрупкость. Этого можно добиться путем правильного выбора состава карбюризатора (твердого или газового).

Рис. 4. 16. - Микроструктура стали, содержащей С = 0, 2 % после цементации и последующего отжига, XI00

Вторая закалка производится с температуры 750 - 780 °С и преследует цель устранения перегрева и придания высокой твердости поверхностному слою. Применяется двойная закалка для особо ответственных деталей с крупным зерном.

Азотирование

Азотирование стали - процесс насыщения поверхности изделия азотом. Процесс азотирования ведется в атмосфере аммиака NH₃ при температуре 480 - 750 °С.

Азотирование в промышленности применяется для следующих целей:

1. Повышение твердости и износоустойчивости на поверхности. Для этого применяются легированные стали, содержащие такие элементы, как А1, Сг, Мо, V и от 0, 3 до 0, 5 % С. Эти легирующие элементы образуют нитриды и карбонитриды, обладающие высокой твердостью. Нитриды и карбонитриды выделяются в дисперсном виде по плоскостям скольжения и этим самым сильно повышают твердость и износоустойчивость. Перед азотированием детали подвергаются улучшению (закалке и высокому отпуску). Температура азотирования 500 - 550° С. При этом получают слой глубиной 0, 4 - 0, 6 мм за 35 - 45 час. Твердость на поверхности составляет 1100 - 1200 единиц по Виккерсу.

2. Повышение усталостной прочности. Для этой цели подвергаются
азотированию конструкционные стали любых марок. В азотированном слое
возникают напряжения сжатия, которые и повышают предел усталости. После азотирования усталостная прочность у образцов без надреза повышаетсяна 30%, у образцов с надрезом - более чем на 225 %. Температура азотирования600-675 °С. Продолжительность процесса от 15 мин до 6 -10 час.

3. Повышение коррозионной стойкости. Азотированный слой обладает высокой коррозионной стойкостью в воде и воздушной атмосфере. Для этой цели азотированию подвергаются стали любых марок. Режимы азотирования те же, что и при азотировании с целью повышения усталостной прочности.

Твердость азотированного слоя выше , чем цементованного, и сохраняется до высоких температур 400 – 600 ⁰С, тогда как твердость цементированного слоя с мартенситовой структурой сохраняющейся лишь до 200 – 250^о С.

Атомарный азот, имеющий высокую активность, поглощается поверхностью и диффундирует в глубь детали. Структура азотированного слоя (от поверхности в глубь изделия) состоит из фаз ε + γ^’ → γ^’ →α + γ¹→ α + γ¹_изб, рис. 17.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистой стали, не обеспечивают достаточно высокой твердости и образующийся слой хрупкий. Поэтому для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан и другие элементы. Нитриды этих элементов очень дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Типовыми азотируемыми сталями являются 38ХМЮА и 35ХМЮА.

Рис. 4.17. Микроструктура азотированного слоя железа.

Азотирование при 650 ⁰С с медленным охлаждением. Х 500

Цианирование

Цианирование стали - одновременное насыщение поверхности азотом и углеродом.

Процесс цианирования можно производить в твердой, жидкой и газообразной средах.

Твердое цианирование производится аналогично твердой цементации, только в карбюризатор добавляют азотсодержащие вещества (цианистые соли).

Жидкое цианирование наиболее распространено в промышленности. Оно производится в смеси расплавленных цианистых солей с нейтральными солями. Недостатком процесса является вредность цианистых солей.

Газовое цианирование производится в смеси науглероживающего (светильного) и азотирующего (аммиака) газов.

По температурным условиям различают:

1. Высокотемпературное цианирование, которое производится взамен цементации при температуре 900 - 950° С.

Добавка аммиака ускоряет процесс, слой имеет более высокую твердость и износоустойчивость, чем при цементации. После высокотемпературного цианирования следует закалка и низкий отпуск.

2. Среднетемпературное цианирование производится при температурах 750 - 850 °С. Применяется для повышения износостойкости деталей из среднеуглеродистой стали (болты, гайки, шестерни). После цианирования применяется непосредственная закалка и низкий отпуск.

3. Низкотемпературное цианирование производится при температурах 550 -560 °С для повышения стойкости инструмента из быстрорежущей стали.

Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации требует меньшего времени для получения слоя заданной толщины, характеризуется значительно меньшими деформации и короблением деталей сложной формы и более высоким сопротивлением износу и коррозии.

Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда.

Борирование

Борирование - насыщение поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде.

Диффузионный слой состоит из боридов FeB и Fe₂B. Борированный слой обладает высокой твердостью (1800 - 2000 HV), износостойкостью (главным образом, абразивной), коррозионной стойкостью, окалиностойкостью (до 800 ° С) и теплостойкостью.

Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты трубобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс - форм и машин для литья под давлением. Стойкость указанных деталей после борирования возрастает в 2 - 10 раз.

Силицирование

Силицирование - насыщение поверхности стали. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, соляной и серной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа.

Силицированный слой является твердым раствором кремния в α - железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита. Это объясняется оттеснением углерода из диффузионного слоя вследствие пониженной растворимости его в кремнистом феррите.

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, гайки, болты и т. д.).

Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами.

Алитирование - это процесс диффузи­онного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 0,1 - 0,2 % С алюминием. Температура алитирования 700 - 1100°С. Толщина алитированного слоя 0,2 - 1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30 %. Алити­рование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируют чехлы тер­мопар, детали разливочных ковшей, клапаны и | другие детали, работающие при высокой температурах.

4.4.6. Хромирование.

Хромирование - это процесс диффу­зионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость, и износостойкость деталей в агрессивных средах.

Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред и т. п.

Структуры этих видов сплавов показаны на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Микроструктура алитированного (а), хромированного на железе (б) и стали (е), силицированного (г) и борированного (д) слоев, Х200