Лекція № 28 : Хіміко -термічна обробка сталі

План

1. Цементація сталі

2. Азотування

3. Нітроцементація

4. Дифузійна металізація

Цементація — це поверхневе насичення маловуглецевої сталі (0,1.-.0,25 %) або легованих сталей (типу 18ХГТ, 15ХФ, 20ХГР, 12ХНЗА, 20ХН та інших) вуглецем з метою одержання високої твердості поверхні та в'язкої серцевини виробів. Насичуючі суміші (карбюризатори), багаті на вуглець, можуть бути у твердому, рідкому і газоподібному стані. При призначенні режимів цементації (температура, час) враховують хімічний склад сталі та умови експлуатації деталі.

Для цементації у твердому карбюризаторі використовують суміші деревного вугілля у вигляді зерен розміром 3...7 мм (75...90 %) з вуглекислими солями (10...25 %) барію або натрію. Дифузійне насичення виробів здійснюють у засипці карбюризатора в герметизованому об'ємі при температурі вище 900 °С протягом кількох годин. Присутність малої кількості кисню сприяє утворенню оксиду вуглецю за реакцією: 2С + 0₂ = 2С0, який, контактуючи з залізом, розпадається з утворенням С0₂ і атомарного вуглецю 2С0 -» С0₂ + С_аТ.

Добавки вуглекислих солей активізують карбюризатор, збагачу­ють насичуючу атмосферу оксидом вуглецю в цементаційному кон­тейнері:

ВаСО₃ + С -> ВаО + 2С0.

Швидкість цементації при 950 °С складає 0,1 мм/год. Цей вид цементації застосовують не часто.

Для цементації у рідкому стані деталь, що підлягає обробці, зану­рюють у розплави солей (наприклад, МаСМ, Ма₂СО₃, КСІ, ВАСІ₂, 8іС) при 930...950 °С. У розплавленій суміші солей сталі насичуються вуглецем за рахунок виділення атомарного вуглецю.

Найпоширеніший спосіб газової цементації — з використанням метану СН₄, пропану С₃Нв, оксиду вуглецю СО тощо — зводиться переважно до двох реакцій:

СН₄ о 2Н₂ + С_аТ; 2С0 <-> С0₂ + С_ат.

Основні карбюризатори газової цементації— природний, генераторний та світильний гази. Цей процес здійснюють при 900...950 °С, при цьому у 2...З рази скорочується час навуглецьовування, зростають можливості регулювання й контролю за процесом.

За глибину цементації умовно приймають відстань від поверхні деталі до половини зони, у структурі якої спостерігається приблизно однакова кількість перліту та фериту (1...2 мм).

Вміст вуглецю у цементованому шарі визначає межа його розчинності в аустеніті за даної температури (лінія 8Е діаграми Ре — Ре₃С. Зазвичай цементацію здійснюють за температур, вищих А₃, оскільки в а-залізі вуглець майже не розчиняється. Оптимальний температурний інтервал цементації900...950 °С.

Рекомендований середній вміст вуглецю в шарі повинен відповідати складу евтектоїдної сталі (0,85 % С), а у зовнішньому шарі — не перевищувати 1,1...1,2 %. У разі перевищення цієї кількості утворюється сітка вторинного цементиту, що призводить до окрихчення цементованої сталі. Нормальну структуру цементованого шару за умов повільного охолодження після насичення характеризує плавне зниження вмісту вуглецю. Біля поверхні (0,8... 1,1 % С) цементований шар має перлітно-цементитну структуру (так звану евтектоїдну зону), далі — евтектоїдну зону з вмістом вуглецю приблизно 0,8 % з перлітною структурою і, нарешті, доевтектоїдну зону (вміст вуглецю менше 0,7 %) з ферито-перлітною структурою, яка поступово переходить у вихідну структуру низьковуглецевої сталі.

Після цементації вироби піддають термічній обробці — гартуванню та низькому відпуску.

Цим забезпечується утворення структури дисперсного високовуг-лецевого мартенситу поверхні, подрібнення зерна серцевини і зняття внутрішніх напружень. Цементація, гартування і низький відпуск надає виробам високої поверхневої твердості та зносостійкості, а також підвищення ударної в'язкості серцевини. Залежно від хімічного складу вихідної сталі твердість поверхні після такої обробки має становити 58... 62 ННС, а серцевини — 20...35 ННС.

Азотування — це процес дифузійного поверхневого насичення сталевих виробів азотом у газоподібному або рідкому середовищі. Температурний діапазон азотування становить 470...600 °С. Відповідно до діаграми Ре — N залізо і азот утворюють кілька фаз: а-фаза — азотистий ферит (вміст азоту при 20 °С становить приблизно 0,015 %, при 591 °С — 0,1 %); у '-фаза — твердий розчин на основі нітриду заліза Ре₄Л/ (5,6.. 5,95 % N2); є-фаза — твердий розчин на-основі нітриду Ре₂Щ8...11,2 % Щ; у- фаза — твердий розчин азоту ву- залізі (існує вище температури евтектоїдного перетворення 591 °С).

Отримані при азотуванні шари складаються з поверхневої ні-тридної зони та дифузійного підшару (зони внутрішнього азотування), що забезпечують широкий діапазон фізико-механічних властивостей азотованих виробів.

Залежно від умов експлуатації виробів розрізняють азотування для підвищення поверхневої твердості, зносостійкості, втомної міцності та азотування для підвищення корозійної стійкості.

Азотування для підвищення поверхневої твердості проводять при 500...520 °С протягом 24...90 год. Вміст азоту в поверхневому шарі біля 10... 12 %, глибина насичення 0,3...0,6 мм, твердість 1000...1200 HV. Для підвищення твердості й зносостійкості використовують спеціальні сталі (нітралої), до складу яких входять елементи, що утворюють нітриди (СгИ, ШМ, АІИ), наприклад сталь 38ХМЮА. Для підвищення втомної міцності звичайні леговані сталі азотують з нітридо-утворюючими елементами.

Підвищення корозійної стійкості досягають азотуванням деталей з різних сталей (переважно з вуглецевих). Оскільки немає потреби у високій твердості, то температуру процесу вибирають високою (600...700 °С), а тривалість азотування складає від 15 хв до 10 год. На поверхні виробів утворюється тонкий шар (0,01...0,03 мм) є-фази високої корозійної стійкості.

Азотування здійснюють на готових виробах після остаточної термічної обробки. Оптимальною структурою для азотування є сорбіт, який зберігається у серцевині виробів і після ХТО, забезпечуючи її підвищену в'язкість і міцність. Тому деталі перед азотуванням піддають зміцнюючій термічній обробці — гартуванню з високим відпуском.

Процес азотування також застосовується і при обробці виробів з високоміцних чавунів і титанових сплавів.

Ціанування і нітроцементація. Насичення поверхні виробів одночасно вуглецем і азотом в розплавлених ціанистих солях (К₄Ре(СМ)₆) називають ціануванням, а в газовому середовищі — нітроцементацією. Співвідношення вуглецю і азоту в дифузійній зоні можна регулювати, зміцнюючи склад середовища та температуру процесу. Розрізняють низькотемпературне (540... 560 °С), серед-ньотемпературне (820...860 °С) та високотемпературне (920...960 °С) ціанування. За підвищених температур поверхня насичується вуглецем більше ніж азотом, тобто процес наближається до цементації. Після такого насичення вироби піддають гартуванню з низьким підпуском. Поверхневий шар після високотемпературного ціанування містить 0,8... 1,2 % С і 0,2...0,3 % N. У разі ціанування при середніх і низьких температурах вміст азоту в дифузійному шарі відповідно фостає. Негативним явищем ціанування є отруйність ціанових солей і а висока вартість процесу.

Нітроцементацію (газове ціанування) сталей здійснюють в ендо­термічній атмосфері (що містить навуглецьовувальний газ), до якої додають аміак. Розрізняють високотемпературну (800...870 °С) та низькотемпературну (560...580 °С) нітроцементацію. Глибина насичення залежить від температури та тривалості (2... 15 год) процесу. Порівняно з газовою цементацією нітроцементація має такі переваги:

- низька температура процесу;

- менше зерно;

- менша деформація і коробления;

- підвищена корозійна стійкість;

- стійкість проти спрацювання.

Дифузійна металізація — це процес, під час якого відбувається насичення поверхні сталевих виробів різними металами. Процес насичення алюмінієм називають алітуванням, хромом — хромуванням тощо. Розрізняють дифузійну металізацію у твердих, рідких і газоподібних середовищах.

Металізаторами твердої металізації служать сплави заліза з висо­ким вмістом потрібного елемента (хрому, алюмінію, кремнію) — феросплави з добавками хлористого амонію (МН₄СІ). Внаслідок реакції металізатора з НСІ або СІ₂ утворюється летюча сполука хлору з металом (АІСІ₃, СгСІ₂, 8іСІ₄ тощо), яка при контакті з поверхнею металу дисоціює з утворенням вільних атомів насичуючого елемента. Якщо вироби занурюють у розплавлений метал, то відбувається рідка металізація, газова ж металізація відбувається у газових середовищах — хлоридах різних металів.

Оскільки, на відміну від вуглецю і азоту, атоми металів утворюють із залізом тверді розчини заміщення, дифузія відбувається значно повільніше, а дифузійні шари утворюються у десятки й сотні разів тоншими, Це не сприяє значному поширенню процесів дифузійної металізації у зв'язку з тривалістю процесу та необхідністю застосування високих температур (1000... 1200 °С). Проте дифузійна мета­лізація дає змогу одержувати вироби зі звичайних вуглецевих сталей з високою жаростійкістю (хромування, алітування, силіціювання) до температур 1000... 1100 °С або з високою твердістю до 2000 НУ (бору-вання) і стійкістю проти спрацювання.

Питання для самоконтролю

1. Що таке цементація

1.1 насичення поверхні азотом

1.2 насичення поверхні вуглецем

1.3 покриття цементом

1.4 легування

2. При якій температурі відбувається азотування?

2.1 300-400° С

2.2 500-700° С

2.3 900-1000 ° С

2.4 1100-1З00° С

3. Яку обробку проводять після цементації?

3.1 відпал

3.2 відпустка

3.3 загартування

3.4 не проводять

4. З якою метою проводять алітірованіе?

4.1 зниження твердості

4.2 підвищення в 'язкості

4.3 підвищення жаростійкості

4.4 підвищення пластичності

5. Які стали піддають ціануванню?

5.1 Юкп

5.2 35

5.3 38ХМЮА

5.4 У13

6. Що таке азотування?

6.1 насичення поверхні азотом

6.2 насичення поверхні вуглецем і азотом

6.3 насичення поверхні алюмінієм

6.4 легування азотом

7.При якій температурі проводять цементацію?

7.1 500-700° С

7.2 900-950° С

7.3 1100-1200° С

7.4 100-250° С

8. Яку обробку проводять після азотування?

8.1 гартування

8.2 відпал

8.3 нормалізація

8.4 не проводять

9. З якою метою проводять борірування?

9.1 підвищення в 'язкості

9.2 підвищення пластичності

9.3 підвищення твердості

9.4 пониження твердості

10. Які стали піддають цементації?

10.1 15

10.2 38ХМЮА

10.3 У10

10.4 А40Г

11. Що таке ціанування?

11.1 насичення поверхні вуглецем

11.2 насичення поверхні азотом

11.3 насичення поверхні вуглецем і азотом

11.4 насичення поверхні цинком

12.Як змінюється властивості після цементації?

12.1 підвищується твердість і зносостійкість поверхні

12.2 підвищується корозійна стійкість

12.3 підвищується пластичність і в'язкість поверхні

12.4 підвищується ударна в'язкість

13. З якою метою проводять азотування?

13.1 підвищення твердості

13.2 зниження твердості

13.3 підвищення корозійної стійкості

13.4 підвищення в 'язкості

14.Яка температура нагріву при азотуванні?

14.1 300-400° С

14.2 500-700° С

14.3 900-1ОО° С

14.4 1147°С

15.Які стали піддаються цементації?

15.1 У13

15.2 65

15.3 10

15.4 А20

16. Що таке алітірованіє?

16.1 насичення поверхні азотом

16.2 насичення поверхні алюмінієм

16.3 легування алюмінієм

16.4 введення в сталь азоту

17. Як змінюється структура поверхневого шару після цементації?

17.1 ферит + перлит перетворюється на перлит + цементіт
вторичний

17.2 ферит + перлит перетворюється на аустеніт

17.3 перлит перетворюється на мартенсіт

17.4 ферит перетворюється на перлит

18. Яка температура нагріву при цементації?

18.1 500-700° С

18.2 727°С

18.3 900-950° С

18.4 1147°С

19. Як змінюються властивості після борірування?

19.1 підвищується в 'язкість

19.2 підвищується пластичність

19.3 підвищується твердість

19.4 знижується твердість

20. Які стали піддають цементації?

20.1 20

20.2 70

20.3 У10

20.4 А12

Змістовий модуль 6. Леговані сталі, чавуни, сплави кольорових металів

Дата добавления: 2015-06-25