Химико - обработка стали

Химико-термической обработкой называют про­цесс, при котором металл подвергают термическому и химическому воздействию с целью изменения состава, структуры и свойств поверх­ностного слоя стали, а иногда и всей детали в целом.

Химико-термическая обработка основана на диффузии, т. е. про­никновении в сталь атомов различных элементов. Она может происхо­дить только в том случае, если диффундирующий элемент образует с основным металлом твердый раствор или химическое соединение.

При химико-термической обработке протекают следующие процессы: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов вглубь стали (диффузия).

Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различными элементами: углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др. В результате можно повысить твердость и износостойкость по­верхности, жаростойкость, коррозионную стойкость и другие свойства.

При проведении любой химико-термической обработки детали нагревают в среде, содержащей тот элемент, которым проводят насы­щение. Выдержка при нагреве должна быть достаточной для того, чтобы атомы насыщающего элемента проникли в сталь (в деталь) на нужную глубину.

После процесса диффузии детали могут быть сразу готовы к использованию или должны подвергаться дополнительной термической обработке.

В зависимости от того, каким элементом проводят насыщение, процесс называют::цементацией (углерод), азотированием (азот), хро­мированием (хром), силицированием (кремний) и т. д.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. В чём заключается сущность химико-термической обработкой стали?

2. Какие процессы протекают при химико-термической обработке металла?

3. Что определяет название процесса химико-термической обработки?

 

 

Цементация стали

Цементация — процесс химико-термической обработки, пред­ставляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.

Цель цементации — получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине за счет обогащения поверх­ностного слоя стали углеродом в пределах 0,8…1,0 % с последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовлен­ные из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25 %).

Технология цементации. Цементацию можно проводить в твердой; жидкой и газовой средах, называемых карбюризаторами. Наиболее широкое применение имеет цементация в газовых средах (газовая цементация).

При газовой цементации детали нагревают до 930…950°С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают углеродосодержащий газ. Такими газами являются естественные (природные), а также искусственные газы. Для газовой цементации используют и жидкий карбюризатор (бензол, керосин и др.), который каплями подают в герметичное рабочее пространство печи. При высокой температуре происходит разложение жидкого карбюризатора, в результате чего образуется цементирующий газ.

Атомарный углерод, необходимый для цементации, образуется при разложении углеводородов, например метана СН₄ и окиси углерода СО, содержащихся в цементирующих газах, разложение которых при нагреве происходит по следующим реакциям:

СН₄ → 2Н₂ + С; 2СО → СО₂ + С

Атомарный углерод поглощается поверхностью стали и диффунди­рует в глубь детали.

Как уже отмечалось, концентрация углерода в поверхностном слое стали обычно составляет 0,8…1,0 %. Заданную концентрацию углерода в поверхностном слое получают путем автоматического регулирования состава газа и применения газа-разбавителя, например эндотермичес­кого газа (эндогаза), получаемого из природного газа в специальном эндотермическом генераторе. Эндогаз по объему содержит около 20 % СО, 40 % Н₂, 40 % N₂ и незначительное количество СН₄, СО₂ и Н₂О. Обладая слабой науглероживающей способностью, эндогаз применим только как защитная атмосфера против окисления и обез­углероживания. Для повышения активности газовой сре­ды, характеризуемой углерод­ным потенциалом, к эндогазу добавляют природный газ.

В промышленности широ­ко применяют ступенчатый режим газовой цементации. Сначала цементацию прово­дят смесью эндотермического газа (90…95 %) с природным газом (5…10 %); при этом происходит интенсивное на­углероживание с пересыще­нием цементованного слоя углеродом (углеродный потенциал газовой среды 1,1…1,3%)..Затем детали выдерживают в печи только в эндогазе, углеродный потенциал которого обеспечивает получение содержания углерода на поверхности деталей в количестве 0,8…1,0%.

По сравнению с другими способами газовая цементация обладает следующими преимуществами: высокой производительностью и экономичностью; удобством контроля и регулирования толщины цементуе­мого слоя и содержания в нем углерода; возможностью механизации и автоматизации процесса.

Для газовой цементации применяют печи непрерывного действия (муфельные и безмуфельные), стационарные печи (камерные, шахтные) и специальные агрегаты.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1. В чём заключается процесс цементации?

2. Каким химическим элементом насыщается поверхностный слой металла при цементации?

3. В каких средах проводится процесс цементации?

 

 

Азотирование стали

Азотирование — процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Целью азотирования является получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивой против коррозии (антикоррозионное азотирование).

Азотирование проводят при нагреве деталей в атмосфере аммиака NН₃ при температуре 500…700°С. Детали нагревают в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NН₃. При нагреве аммиак разлагается по реакции

 

2NH₃ → 6Н + 2N

Образующийся атомарный азот поглощается поверхностью и прони­кает в глубь детали.

Если главным требованием, предъ­являемым к азотированному слою, является высокая твердость и износо­стойкость, то применяют специальные стали, например сталь, содержащую хром, молибден, алюминий. При азо­тировании такой стали азот в поверх­ностном слое образует химические соединения—нитриды (Fе₄ N, СrN, МоN, Аl N), придающие слою очень высокую твердость (до НV 1200).

Процесс азотирования длится очень долго — до 90 ч, что является его основным недостатком. Толщина азотированного слоя обычно состав­ляет 0,3…0,6мм. На поверхности обра­зуется белый нетравящийся слой нитридов, а глубже — сорбитообразная структура. Твердость и толщина азотированного слоя зави­сят от температуры. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше твердость.

Азотирование проводят по одноступенчатому режиму при темпера­туре 500…520°С с выдержкой до 90 ч или по двухступенчатому режиму при температуре 500…520°С (15…20 ч) и 550…570°С (20…25 ч).

Азотированию подвергают цилиндры двигателей и насосов, зубчатые колеса, детали штампов и др.

Антикоррозионному (декоративному) азотированию подвергают в основном углеродистые стали при температуре 600…700°С, с выдерж­кой 0,5…1 ч.

 

 

Вопросы для повторения и закрепления:

1.Что представляет собой процесс азотирования?

2. Каким химическим элементом насыщается поверхностный слой при азотировании?

3. От каких параметров зависит толщина азотированного слоя?