Лекция 6

Термохимическая обработка

Назначение и виды химико-термической обработки

Химико-термической обработкой называ­ется процесс поверхностного насыщения стали различ­ными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки — поверхностное упрочнение металлов и спла­вов и повышение их стойкости против воздействия внеш­них агрессивных сред при нормальной и повышенных температурах.

Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий:

- диссоциации, которая заключается в распаде моле­кул и образовании активных атомов диффундирующего элемента;

- адсорбции, т. е. контактирования атомов диффунди­рующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла;

- диффузии, т. е. проникновения насыщающего элемен­та в глубь металла.

Скорость диффузии (коэффициент диффузии) при проникновении диффундирующих атомов в решетку раст­ворителя будет выше, если при взаимодействии образу­ются твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.

Концентрация диффундирующего элемента на по­верхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т. е. отвода этих атомов в глубь металла. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем больше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше ско­рость диффузии атомов, а, следовательно, возрастает тол­щина диффузионного слоя.

Границы зерен являются участками, где диффузион­ные процессы облегчаются из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если раствори­мость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по гра­ницам зерен. При значительной растворимости диффун­дирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.

Рекомендуемые материалы

                                                               - толщина диффузионного слоя

                                                               - время ТХО   

                                                                             - энергия активации диффузии

Различают следующие виды химико-термической об­работки: цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию) и т. д.

Цементация

Цементацией называется процесс насыщения по­верхностного слоя стальных изделий углеродом. Цемен­тация осуществляется с целью получения высокой твер­дости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойко­сти и предела выносливости.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагру­зок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т. д.).

Для цементации детали поступают после механиче­ской обработки с припуском на шлифование 0,05— 0,10 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), наносимым электро­литическим способом, или специальными обмазками, со­стоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементация осуществляется при температурах 900—950°С. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементация. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на по­верхности стали и диффундирует в глубь металла. В ре­зультате цементации содержание углерода в поверхност­ном слое составляет 0,8—1,0%. Более высокая концент­рация углерода способствует охрупчиванию цементован­ного слоя.

Цементованный слой имеет переменную концентра­цию углерода по толщине, которая уменьшает­ся от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоя­щую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.

За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства стаей составляет 0,8—1,4 мм.

Различают два вида цементации: твердую и газовую. Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.

Цементация в твердой среде

 Карбюриза­тором является активированный древесный уголь (дубо­вый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы — углекислый барий, кальцинированную соду, поташ.

Подготовленные для цементации изделия укладыва­ют в металлический ящик. Предварительно в ящик насы­пают слой карбюризатора 20—30 см. Детали укладыва­ют слоями на расстоянии 10—15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей и т. д. Послед­ний слой засыпают карбюризатором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кла­дут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900—950°С.

В ящике между кусочками угля имеется воздух, кис­лород которого взаимодействует с углеродом карбюри­затора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с по­верхностью деталей, окись углерода диссоциирует.

Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. Добавление углекислых солей активизи­рует процесс цементации.

Продолжительность выдержки в печи при температу­ре цементации зависит от требуемой толщины цементо­ванного слоя. На практике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5-10,4 ч.

Для контроля над протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями заклады­вают «свидетели» - образцы диа­метром 10—15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. Во время цементации «свидетели» периоди­чески вынимают, ломают и по излому определяют тол­щину цементованного слоя.

Повышение температуры цементации до 950—1000° С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

Ящики после цементации охлаждают на воздухе и по­том разбирают. Участки изделия, не подлежащие цемен­тации, защищают, нанося гальваническое покрытие медью. После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпе­ратурному отпуску.

Структура сердцевины зависит от состава стали и ре­жима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных — из малоуглеродистого мартенсита.

Газовая цементация

В настоящее время газовая цементация является основным процессом це­ментации на заводах массового производства. При газо­вой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обра­ботка и, самое главное, можно получить заданную кон­центрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия. При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т. д.  В печах непрерывного действия чаще используют ме­тан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углерод­ный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим полу­чение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3— 1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).

С этой целью в первую зону, занимающую примерно ²/₃ длины печи, подают газ, состоящий из смеси природ­ного (10—15%) и эндотермического (90—85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, на­ходящийся в равновесии с заданной концентрацией угле­рода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диффузии углерода в глубь металла и взаимодействия поверхности детали с эндотермической атмосферой концентрация уг­лерода на поверхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементован­ного слоя.

После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850—830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при тем­пературе 160—180° С.

Цианирование и нитроцементация

Цианированием называется процесс одновремен­ного насыщения поверхности деталей углеродом и азо­том.

На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержа­ния углерода в слое, снижение температуры — к увеличе­нию содержания азота. Толщина цианированного слоя также зависит от температуры и продолжительности процесса.

Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий.

Цианирование при температурах 820—850°С позволя­ет осуществлять закалку непосредственно из ванны. Пос­ле закалки следует низкотемпературный отпуск.

Цианирование при температурах 820—850°С позво­ляет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 мин. Для получения слоев большой толщины (0,5-2,0 мм) применяют глубокое цианирование при темпера­турах 900-950° С, длительность 1,5-6,0 ч. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с це­ментацией: меньше продолжительность процесса для по­лучения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и по­вышенная усталостная прочность.

После цианирования деталь охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпе­ратурный отпуск. Такая обработка необходима в связи с тем, что при температурах цианирования (900—950° С) сильно вырастает зерно аустенита и необходим повтор­ный нагрев для его измельчения. Структура цианирован­ного слоя после закалки такая же, как после цементации.

Недостатком цианирования является ядовитость циа­нистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.

Нитроцементацию осуществляют при температурах 840—860°С в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глу­бины насыщаемого слоя и составляет 1 —10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм.

После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160— 180° С.

Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540—560°С в расплавленных циани­стых слоях. Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки об­разуется нитроцементованный слой толщиной 0,02—0,04 мм. Длительность процес­са 1 —1,5 ч.

Азотирование

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480—650° С. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.

Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали. При азотировании легированных сталей азот образу­ет с легирующими элементами устойчивые нитриды, ко­торые придают азотированному слою высокую твердость.

Перед азотированием детали подвергают термиче­ской обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механи­ческую обработку, придающую окончательные размеры изделию.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем (0,001—0,015 мм) олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В про­цессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхно­сти стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки. Продолжительность процесса зависит от толщины слоя. Обычно процесс азотирования ведут при температу­рах 500—520° С. В этом случае получают слои толщиной до 0,5 мм за 24—90 ч.

Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый цикл. Вначале азотирование ведут при 500—520°С, а затем температуру повышают до 580—600° С. Это ускоряет процесс в 1,5—2 раза при сохранении высокой твердости азотированного слоя.

В процессе азотирования изменяются размеры дета­лей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотиро­ванного слоя, тем больше изменение размеров деталей.

Для повышения коррозионной устойчивости изделий азотирование проводят при температуре 600—700°С в течение 15 мин. для мелких деталей и 6—10 ч. для круп­ных деталей.

Процесс жидкостного азотирования осу­ществляют при температуре 570°С в расплаве циансодержащих солей. В ходе процесса расплав непре­рывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превраще­ния цианида  в цианат, являю­щийся поставщиком атомов углерода и азота.

Преимуществом жидкостного азотирования является резкое сокраще­ние времени получения насыщенного слоя по сравнению с газовым азо­тированием (слой толщиной 0,10-0,20 мм получают за 1,5-3 ч). Кроме того, отсутствие водорода в среде способствует
повышению вязкости слоя. Недостатком процесса является применение ядо­витых солей.

Широкое применение получает ионное азо­тирование. По сравне­нию с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность   процесса,   более   высокое   качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация - это про­цесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществлять­ся в твердых, жидких и газообразных средах.

При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляет­ся погружением детали в расплавленный металл (например, цинк, алюминий).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с ме­таллами при высоких температурах. Хлориды диссоциируют на поверхности железа и вы­деляющийся в атомарном состоянии металл диффунди­рует в железо.

Диффузия металлов в железе идет значительно мед­леннее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а ме­таллы - твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации полу­чаются в десятки раз более тонкими. Поверхностное насыщение стали металлами прово­дится при температурах 900—1200° С.

Алитирование (Al)

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до850—900° С)   и   коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

При алитировании в порошкообразных смесях чис­тые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25—50%) или ферроалюминий (50—75%), окись алю­миния (25—50%) и хлористый алюминий (~1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900—1000°С в течение 3—12 ч.

Реже применяют алитирование в ваннах с расплав­ленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий (92—94% А1 и 6—8% Fe). Железо добавляют для того, чтобы предотвратить рас­творение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс проводят при температурах 700—800°С в течение 45— 90 мин.

Алитирование в расплавленном алюминии отлича­ется от алитирования в порошкообразных смесях прос­тотой метода, быстротой и более низкими температура­ми. Основной недостаток процесса — налипание алюми­ния на поверхность деталей.

Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатыва­емую поверхность) с последующим диффузионным от­жигом при температуре 900—1000°С в течение 1—3 ч.

Для предохранения алюминия от окисления во время диффузионного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из серебристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хлористого алюминия(2%) и 20—25% от массы первых четырех составляющих - жидкого стекла.

Алитирование стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках. Агитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия в железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30-40%.  Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газоге­нераторных машин и т. д.

Хромирование (Cr)

Хромирование (поверхностное насыщение хро­мом) проводят для повышения коррозионной стойкости, кислостостойкости, окалиностойкости (до 850° С) и т. д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей по­вышает твердость и износостойкость.

Хромирование чаще всего проводят в порошкообраз­ных смесях (50% металлического хрома или феррохро­ма, 49% окиси алюминия и 1% хлористого аммония). Процесс осуществляется при температуре 1000—1050°С. Диффузионный слой, получаемый при хромировании уг­леродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Толщина хромированного слоя достигает 0,15—0,20 мм при длительности процес­са 6—15 ч. Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.

Значительно реже применяется газовое хромирова­ние. Процесс проводят в среде, содержащей пары CrCl₂. Пары CrCl₂ получают пропусканием осушенных Н₂ и НС1 через феррохром или хром при температуре 980°С. За 3-5 ч получают слой толщиной 0,06-0,10 мм.

Иногда применяют хромирование в вакууме. Изде­лия засыпают кусочками (диаметром 1—3 мм) хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в ваку­умную печь. При высокой температуре (960—1000° С) хром испаряется и диффундирует в сталь.

Хромирование применяют для пароводяной армату­ры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих в агрессивных средах.

Борирование (B)

Борированием называется насыщение стали бо­ром. Борирование проводят с целью повышения стой­кости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм.

Широкое распространение получил метод электро­лизного борирования в расплавленных солях, содержа­щих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавлен­ной бурой. Температура процесса 900—950° С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с рас­плавленными хлористыми солями,  в ко­торые добавляют порошкообразный ферробор или кар­бид бора.

Применяют также и метод газового борирования. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана  в смеси с водородом при температуре 850—900° С.

Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штамповый инструмент и т. д.

Силицирование (Si)

Силицированием называется процесс насыще­ния поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стой­кость в морской воде, в различных кислотах и повышен­ную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в α-железе. Силицированный слой не­смотря на низкую твердость и значитель­ную пористость после пропитки маслом при температуре 170—200° С имеет повышенную износостойкость.

Силицирование можно проводить в порошкообраз­ных смесях, состоящих из 60% ферросилиция, 39% оки­си алюминия и 1 % хлористого аммония, но наиболее часто применяют газовое силицирование. При газовом силицировании при температуре 1000°С в течение 2—4 ч образуется слой толщиной 0,5—1,0 мм.

Силицированию подвергают детали, применяемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной про­мышленности.

В последние годы разработаны и получают промыш­ленное внедрение новые процессы поверхностного насы­щения металлов — титанирование  и цинкование.

Поверхностно-пластическая деформация

Дробеструйный наклёп

Упрочнение поверхности,

снятие поверхностных напряжений.

Центробежный шариковый наклёп

Обратите внимание на лекцию "Понятие личности в психологии".

Накатывание стальных шариков

 (шарика)

Прочность увеличивается в раза.

Износостойкость в  больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на .