Химико-термическая обработка

Лекция №8.

1.Процессы происходящие при химико-термической обработке.

2.Цементация стали.

3.Азотирование стали.

Процессы происходящие при химико-термической

обработке.

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 вглубь металла.

Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения, иначе процессы адсорбции и диффузии невозможны.

Результаты химико-термической обработки определяются толщиной диффузионного слоя и концентрацией насыщающего элемента в поверхностных слоях. Основными технологическими факторами, влияющими на эти характеристики, являются состав насыщающей среды, температура и время выдержки. Состав среды и температура определяют скорость диссоциации и образования насыщающего элемента в атомарном состоянии. Изменение толщины слоя в зависимости от времени происходит по параболическому закону:

у=К√τ

где τ- длительность процесса.

Наиболее интенсивно глубина слоя возрастает в начале процесса. Контроль результатов химико-термической обработки производят измерением твердости, что косвенно может свидетельствовать о степени насыщения. Глубину слоя можно определять по виду излома специальных образцов, проходящих обработку совместно с деталями.

Цементация стали.

Цементация- это процесс насыщения поверхности детали углеродом, проводимый с целью повышения твердости, износостойкости и предела выносливости при переменных нагрузках. Повышение перечисленных характеристик достигается, однако, только в том случае, если цементация сопровождается термической обработкой, заключающейся в закалке и низком отпуске. Обычно для цементации берут малоуглеродистую сталь с содержанием углерода до 0,2%., в этом случае твердость ненауглероженных внутренних слоев изделия после закалки не изменяется и остается равной примерно НВ 160-170, в то время как твердость поверхности изделия повышается до НВ 600. Если от изделия требуются повышенные прочностные свойства в сердцевине, можно применять стали с большим содержанием углерода (до 0,3), однако вязкость при этом окажется несколько сниженной. Обычно толщина цементированного слоя не превышает 1-1,5 мм, а концентрация углерода в нем – 0,8-1%.

В зависимости от состояния насыщающей среды (карбюризатора) различают цементацию твердым карбюризатором, жидким карбюризатором и газовую.

При цементации твердым карбюризатором изделия укладывают в металлические ящики и засыпают карбюризатором, состоящим из древесного угля и карбонатов, которые добавляют в количестве от 10 до 40% от массы угля. Ящик герметизируют, обмазывая его крышку огнеупорной глиной и помещают в печь. Цементацию производят при температурах 900-950ºС., продолжительность цементации в зависимости от размеров ящика изменяется от 10 до 20 часов. Карбонаты играют важную роль в процессы цементации, являясь дополнительным источником окиси углерода и тем самым значительно активируя процесс. При нагреве в цементационном ящике протекают следующие процессы:

ВаСО3+С-ВаО+2СО

где С-древесный уголь из карбюризатора.,

2СО-СО2+Сат

где Сат-атомарный углерод, образовавшийся в результате диссоциации угарного газа

Fе+Сат-Fе(С)

Эта реакция приводит к повышению концентрации углерода в аустените. При термической обработке детали сначала охлаждаются на воздухе (нормализуются), а затем закаливаются с температур 760-780ºС. После закалки цементованные детали подвергают низкому отпуску при температурах 160-180ºС.

При цементации в жидком карбюризаторе используются жидкие соляные ванны, в состав которых входят поваренная соль, углекислый натрий, цианистый натрий и хлористый барий.

Газовую цементацию широко применяют при массовом производстве цементованных деталей. В качестве карбюризатора применяют предельные и непредельные газообразные углеводороды или окись углерода, которые при нагреве диссоциируют с выделением атомарного углерода. Газовая цементация производится в герметически закрытых печах, имеющих специальные устройства для подачи газа и его перемешивания. Закалка часто производится прямо из цементационной печи при небольшом подстуживании до 840-860ºС. Применение газовой цементации позволяет более чем вдвое сократить продолжительность процесса цементации, так как в этом случае отпадает необходимость в прогреве цементационных ящиков.

Азотирование стали.

Азотирование производят для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости сталей., при этом также повышается коррозионная стойкость в атмосфере и водопроводной воде.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере аммиака при температуре 500-600ºС. Аммиак при нагреве разлагается на азот и водород.

Азотированный слой на поверхности состоит из механической смеси твердых растворов на основе двух нитридов железа. Под этим слоем располагается азотистый феррит. Поскольку нитриды и их твердые растворы обладают высокой твердостью, высокая твердость азотированного слоя получается непосредственно после азотирования без какой-либо дополнительной термической обработки. Твердость азотированного слоя сильно зависит от дисперсности кристаллов твердых растворов (нитридов) и тем выше, чем дисперснее эти кристаллы. При введении легирующих элементов образуются нитриды этих элементов, не склонные к коагуляции и сохраняющие дисперсность при нагреве до 600-650ºС. Особенно эффективно повышают твердость азотированного слоя алюминий, хром, молибден, которые образуют термически стойкие нитриды, не склонные к коагуляции. При одновременном присутствии этих элементов в стали твердость азотированного слоя может достигать НV 1200. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали, например 38ХМЮА. Различают азотирование с целью повышения твердости, износостойкости и усталостной прочности (прочностное азотирование) и азотирование для повышения коррозионной стойкости во влажной атмосфере и пресной воде (антикоррозионное).

При прочностном азотировании применяют легированные стали и азотирование осуществляют при сравнительно низких температурах: 500-520ºС.

Антикоррозионное азотирование производят при более высоких температурах (600-700ºС). Если, кроме высокой коррозионной стойкости, к азотированному слою не предъявляют другие требования, то можно азотировать не только легированные стали, но и углеродистые. Износостойкость азотированной стали выше, чем закаленной или цементованной. Перед азотированием производят термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, для повышения прочности сердцевины детали и предотвращения продавливания тонкого азотированного слоя при больших удельных нагрузках.

Дата добавления: 2014-01-13