Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой называется тепловая обработка металлических изделий в химически актив­ных средах для изменения химического состава, струк­туры и свойств поверхностных слоев. Химико-термичес­кая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку же­леза при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Любой вид химико-термической обработки состоит из следующих процессов:

— диссоциация — распад молекул и образование ак­тивных атомов насыщенного элемента, протекает во внешней среде;

— адсорбция — поглощение (растворение) поверхно­стью металла свободных атомов, происходит на границе газ—металл;

— диффузия — перемещение атомов насыщающего
элемента с поверхности в глубь металла.

Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом, образуя твердые растворы или хи­мические соединения, иначе процессы адсорбции и диффузии невозможны. Глубина проникновения диф­фундирующих атомов (толщина диффузионного слоя) зависит от состава стали, температуры и продолжитель­ности насыщения.

Цементация — это процесс диффузионного насыще­ния поверхностного слоя стали углеродом. Целью це­ментации является получение твердой и износостойкой поверхности в сочетании с вязкой сердцевиной. Для этого поверхностный слой обогащают углеродом до концентрации 0,8—1,0 % и проводят закалку с низким отпуском.

Цементацию проводят при температурах 920—950°С, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в боль­ших количествах. Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1—0,3 % С), поэтому сердцевина стального изделия сохраняет вязкость. Толщина (глуби­на) цементированного слоя составляет 0,5—2,5 мм. Науглероживающей средой при цементации служат:

— твердые карбюризаторы (науглероживающие ве­щества), в качестве которых применяют смесь дре­весного угля с углекислым барием, кальцием и натрием;

— жидкие соляные ванны, в состав которых входят
поваренная соль, углекислый натрий, цианистый
натрий и хлористый барий;

— газы, содержащие углерод (природный и др.). Газо­вая цементация является основным процессом для массового производства.

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

Азотирование — это процесс диффузионного насыще­ния поверхностного слоя стали азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости и ус­тойчивости против коррозии.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере аммиака при температуре 500—600°С.

При этом образуются нитриды железа, но они не обес­печивают достаточной твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, таких как хром, молибден, алюминий, титан.

Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие указанные элементы. Углеродистые стали подвергают только антикоррозионному азотиро­ванию.

Азотированию подвергают готовые изделия, уже про­шедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). Они имеют высокую прочность и вязкость, которые сохраняются в сердцевине детали и после азотирования. Глубина азоти­рованного слоя составляет 0,3—0,6 мм. Высокая твер­дость поверхностного слоя достигается сразу после азотирования и не требует последующей термической обработки.

Преимущества азотирования по сравнению с цемен­тацией:

—более высокая твердость и износостойкость по­верхностного слоя;

—сохранение высоких свойств поверхностного слоя
при нагреве до 400—600°С;

—высокие коррозионные свойства;

— после азотирования не требуется закалка.
Недостатки азотирования по сравнению с цемента­цией:

—более высокая длительность процесса;

—применение дорогостоящих легированных сталей.

Поэтому азотирование применяют для более ответ­ственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя. Азотированию подверга­ют детали автомобилей: шестерни, коленчатые валы, гильзы, цилиндры и др.

Цианирование (нитроцементация) — это процесс совме­стного насыщения поверхности стальных изделий азотом и углеродом. Основной целью цианирования является повышение твердости и износостойкости деталей.

Цианирование может производиться:

—в расплавленных солях, содержащих цианистый
натрий NaCH или цианистый калий КСН, либо

—в газовой среде (нитроцементация), состоящей из
эндотермического газа с добавлением природно­го газа и аммиака.

Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования. С повышени­ем температуры содержание азота в слое уменьшается, а углерода увеличивается.

Преимущества цианирования по сравнению с цемен­тацией:

—более высокая твёрдость и износостойкость цианированного слоя;

—более высокое сопротивление коррозии;

—меньше деформация и коробление деталей слож­ной формы;

—выше производительность.

Недостатки цианирования по сравнению с цемента­цией:

—высокая стоимость;

—высокая токсичность цианистых солей.

Цианирование широко применяют в тракторном и автомобильном производстве.

Диффузионная металлизация — это процесс диффузион­ного, насыщения поверхностных слоев стали различными металлами (алюминием, хромом, кремнием, бором). Пос­ле диффузионной металлизации детали приобретают ряд ценных свойств, например, жаростойкость, окалиностойкость и др,

Диффузионная металлизация может проводиться:

— в твердой среде; металлизатором является ферро­сплав (феррохром, ферросилиций и т. д.) с добав­лением хлористого аммония (NH₄C1);

— в расплавленном металле с низкой температурой
плавления (цинк, алюминий), которую проводят
погружением детали в расплав;

— в газовой среде, содержащей хлориды различных
металлов, которые при 1000—1100° вступают в об­менную реакцию с железом с образованием актив­ного диффундирующего атома металла.

Алитирование — это процесс диффузионного насы­щения поверхностного слоя алюминием. Проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюми­нии. Толщина алитированного слоя составляет 0,2— 1,0 мм. Алитирование применяют для повышения кор­розионной стойкости и жаростойкости деталей из углеродистых сталей, работающих при высокой темпе­ратуре.

Хромирование — это процесс диффузионного насы­щения поверхности хромом. Толщина слоя составляет 0,2 мм. Хромирование используют для изделий из ста­лей любых марок. При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800°С, окалиностойкость и износостойкость деталей в агрес­сивных средах (морская вода, кислоты).

Силицирование — это процесс диффузионного насы­щения поверхности кремнием. Толщина слоя составляет 0,3—1,0 мм. Силицирование обеспечивает наряду с по­вышенной износостойкостью высокую коррозионную стойкость стальных изделий в кислотах и морской воде. Применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности.

Борирование — это процесс диффузионного насыще­ния поверхности бором. Толщина борированного слоя достигает 0,4 мм. Борирование придает поверхностно­му слою исключительно высокую твердость, износо­стойкость и устойчивость против коррозии в различных средах.

Дата добавления: 2014-01-07