Основы химико–термической обработки

Под химико–термической обработкой понимают насыщение поверхности металла элементами повышающими какие–либо свойства. Например: твердость, износостойкость, морозостойкость, коррозионную стойкость.

Поверхностная обработка обеспечивает хорошее сочетание твердости поверхностного слоя детали с вязкостью сердцевины. Для обеспечения такого сочетания кроме химико–термической обработки применяют и поверхностную закалку, которая относится к разряду местной обработки. Поверхность детали нагревают пламенем ацетилено–кислородной горелки или чаще током высокой частоты(ТВЧ). Нагрев ТВЧ осуществляется в 1000 раз быстрее по сравнению со скоростью нагрева в печах или в ваннах. После нагрева следует охлаждение со скоростью выше критической.

Нагрев ТВЧ обеспечивает прогрев до температур выше критической только поверхностного слоя. Сердцевина детали остается не прогретой => после закалки на поверхности формируется структура мартенсита, тогда, как в сердцевине детали структура характерна структуре отожженной стали. В отличие от поверхностной закалки ХТО имеет ряд преимуществ:

1.ХТО можно подвергать детали независимо от их размеров или форм.

2.При ХТО достигается большая разница в свойствах поверхности и серцевины.

3.После ХТО можно исправить структуру(например: изменить зерно) последующей термической обработки.

Процесс ХТО складывается из 3–х составных:

1.распад молекул газа с образованием активных атомов насыщенного элемента. Это диссоциация.

2.Поглощение атомов насыщенного элемента поверхностью детали–абсорция.

3.Диффузия атомов насыщенного элемента в глубь металла.Различают:

a)Самодиффузию – происходит перескок атомов основного металла в собственность кресталической решетки. Он не сопровождается изменением концентрации вещества.

б) Гедротиффузию–происходит перемещение атомов чужеродного элемента к кресталлической решетке основного металла, сопровождается изменением концентрации диффундизующего элемента от поверхности в сердцевине в сторону уменьшения.

Вид ХТО определяется названием диффузирующего элемента. Если насыщают поверхность детали углеродом, процесс называют цеминтацией, азотом–ахотированием и т.д. совместное насыщение углеродом и азотом­–ционированием.

 

Цементация

Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает тверость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим веществом(карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь.пРи температуре процесса(900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО₂ т.к. процесс идет при недостаточном колличестве кислорода. При контакте окиси углерода с металической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО₂+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд.2СО₂->СО₂+Споверхность металла. В качестве добавок к карбюризатору используют соли: СО₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.

Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов. Это связанно с тем, что значительная часть времени тратится на прогрев ящика до заданной температуры т.к. корбюризатор является не теплопроводным веществом.

Эффективнее способ газовой цементации.

В этом случае и/з камеру зазмещенные в ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды(метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще свего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН₄. При цементации тщательно регломентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже А_С1 т.к. ферит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше А_С3, а именно при температурах 900–930 градусах Цельсия. После цементации структура по сечению детали не однородна. На ковкости структура соответствующая структуре заэвтектоидной стали. Далее структура эвтектоидной стали(перлит), а затем структура доэтектоидной стали(Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны. Окончательные свойства формируются после термической обработки. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементной сетки.

Термообработка заключается в закалке с температурой 820–840 градусах Цельсия и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.

Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в структуре аустенита остаточного, для утранения которого после закалки, иногда проводят обработку холодом.

Для цементироания применяют стали с низким содержанием углерода 0.15–0.25%.

 

Азотирование

Под азотированном подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде.

Целью азотирования являются повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере.

Азотированию подвергаются самые разнообразные по составу и назначению стали — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов. Азотирование проводится при температурах значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений, поэтому иногда этот процесс называют низкотемпературной химико-термической обработкой или низкотемпературным азотированном. Температура процесса азотирования обычно не превышает 600 °С. Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах — смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака и т. д.

Для активизации процесса в насыщающую среду могут быть введены кислород или воздух. Достаточно широкое применение нашли среды, где азот-насыщенные среды дополняются углероднасыщенными, — то есть среды, где кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный или светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина и т. п.Для азотирования в жидких средах, которое также называют «мягким азотированием» или «тенифер-процессом» применяют расплавы цианид-цианатных солей или ванны на основе карбамида. Однако жидкое азотирование не получило широкого распространения из-за токсичности процесса, высокой стоимости используемого оборудования и используется, в основном, для обработки инструментов из быстрорежущих или высоколегированных инструментальных сталей. Подогретые инструменты выдерживают в ванне при 530–560 °С в течение 10–100 мин — в зависимости от типа инструмента, а затем охлаждают на воздухе. Необходимо строго следить за химическим составом насыщающего состава, так как полная азотирующая способность ванны устанавливается только в том случае, когда содержание цианатов составляет около 40 % от начального содержания в расплаве цианидов. Термическая обработка инструментальных сталей после азотирования производится по следующему режиму: закалка с температур 1000–1050 °С и затем, для повышения ударной вязкости, первый отпуск выполняется при температуре 350 °С, а последующие — при 560 °С.

Цианирование

Цианированием называется процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости изделия. Одновременное присутствие углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои металла. Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали. Различают два вида цианирования: 1)высокотемпературное, проводимое при температуре, лежащей выше Ас3, 2)низкотемпературное при температуре нижеAc1.

При высокотемпературном цианировании металл насыщается в большей степени углеродом, чем азотом, а при низкотемпературном цианировании — в большей степени азотом, чем углеродом.

Цианирование производится в жидкой или газовой среде. Высокотемпературное жидкостное цианирование производится при температурах 800—900° и дает при выдержке от 5 до 45 мин. глубину цианированного слоя до 0,075—0,10 мм. Такое цианирование проводят в электрических печах-ваннах. Следует при этом отметить, что применяемые расплавленные цианистые соли представляют собой сильный яд.В связи с вредностью производства жидкостное цианирование заменяют газовым цианированием, которое может производиться в муфельных электрических печах. Высокотемпературное газовое цианирование проводится при тех же температурах, но выдержка составляет 1—2 часа. После последующей закалки и отпуска твердость цианированного изделия составляет HRC = 60—64. Применяется высокотемпературное цианирование для обработки шестерен и других деталей машин и станков. Низкотемпературное цианирование применяется для быстрорежущих сталей с целью повышения износостойкости инструмента и проводится после полного цикла термической обработки инструмента при 500—600°, это обеспечивает получение весьма высокой твердости и износостойкости.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация — процесс поверхностного упрочнения стальных деталей путем диффузионного насыщения поверхностного слоя металлами — хромом (хромирование), алюминием (алитирование), кремнием (силицирование). Методы насыщения: 1)Твёрдая диффузионная металлизация

Металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl).В результате реакции металлизатора с HCl или Cl2 образуются летучие соединение хлора с металлом(AlCl3,CrCl2, SiCl4 и так далее), которое в результате контакта с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов. 2) Жидкая диффузионная металлизация

Данный вид металлизации проводят погружением детали в расплавленный металл, если диффундирующий металл имеет низкую температуру плавления. 3) Газовая диффузионная металлизация

Проводят в газовых средах, состоящих из галогенных соединений диффундируещего элемента. Достоинства диффузионного насыщения металлов.Поверхность диффузионно-металлизированной детали обладает высокой жаростойкостью, поэтому жаростойкие изделия изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием силицированием. Исключительно высокой твёрдостью (до HV 2000) обладают и высоким сопротивлением абразивному износу обладают борированные слои, вследствие образования на поверхности высокотвёрдых боридов железа - FeB и Fe2B; однако борированный слои очень хрупкие.

Конструкционные стали

Широко применяются в стоительстве и машиностроении, как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения. В основном эти стали используют в горячекатанном состоянии без дополнительной термической обработки с ферритно-перлитной структурой. Эти стали, в свою очередь подразделяют на несколько больших групп:

-улучшаемые конструкционные стали;

-цементуемые конструкционные стали;

-пружинно-рессорные стали;

-пружинно-рессорные стали;

-стали для подшипников качения;

-автоматные стали;

-строительные стали.

Улучшаемые конструкционные стали. Термин «улучшаемые» сформировался от способа термической обработки – «улучшение». Это значит, что свойства этих сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать (улучшать) в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем высоком или среднем отпуске. Это, как правило, среднеуглеродистые (0,25-0,6%С), малолегированные (£ 3% легирующих элементов в сумме) или среднелегированные (3-10% легирующих элементов) стали.