Химико – термическая обработка сталей

Химико – термической обработкой на­зывают технологические процессы, при­водящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различны­ми элементами, с последующей их закалкой в большинстве случаев.

Химико-термическую обработку при­меняют для повышения твердости, из­носостойкости, сопротивления устало­сти и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и га­зовой коррозии.

Различают три стадии процесса хими­ко – термической обработки.

На первой стадии протекают химиче­ские реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоя­нии.

На второй стадии процесса они усваи­ваются насыщаемой поверхностью ме­талла - происходит адсорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверх­ностный слой насыщается диффунди­рующим элементом (абсорбция), возни­кает градиент концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия – диффузионное про­никновение элемента в глубь насыщае­мого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов, химических соединений или фазовой перекристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса хи­мико – термической обработки протекают значительно быстрее третьей – диффу­зионной стадии, где формируются структура и свойства диффузионной зоны. Третья стадия определяет ско­рость процесса химико-термической обработки. Диффузионное насыщение стали угле­родом, азотом и совместно этими эле­ментами – наиболее распространенные в промышленности процессы химико – термической обработки.

Углерод и азот легко усваиваются по­верхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения, химические соединения – нитриды, карбиды и сравни­тельно быстро диффундируют в стали, образуя слои значительной толщины.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь под­вергают закалке и низкому отпуску. По­сле такого комплексного процесса кон­центрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8 – 1% и выше, структура низкоотпущенного мартенси­та с мелкими сфероидальными кар­бидами хорошо сопротивляется износу. Твердость на поверхности деталей достигает Н V 7500 – 9500. Сердцевина детали, со­держащая 0,08 – 0,25% С, остается вяз­кой.

Цементации обычно подвергают та­кие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверх­ность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распредели­тельные валики, кулачки, червяки и т. д.

Карбюризаторы. Исходную среду для цементации (науглероживания) принято называть карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, про­цесс цементации в твердом и газовом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основ­ном из древесного угля с добавкой 20 – 25% углекислого бария для интенси­фикации процесса и 3 – 5% СаСО₃ для предотвращения спекания частиц кар­бюризатора. Детали, подлежащие це­ментации и карбюризатор упаковы­ваются в контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи до 910 – 930 ⁰С. При  нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха контейнера по реакции

2С + О₂ = 2СО.

Кроме того, оксид углерода образует­ся в результате реакции

ВаСО₃ + С = ВаО + 2СО

Разложение соединения СО приводит к образованию активного атомарного углерода:

                                           2СО СО₂+С_ат

На поверхности деталей протекает ве­дущая процесс цементации реакция диспропорционирования, в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверх­ностью, находящейся в аустенитном состоянии, а СО₂ взаимодействует с углем, образуя новые порции СО. Таким образом, в результате обрати­мой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разба­вленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), контроли­руемые атмосферы, получаемые в спе­циальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное ра­бочее пространство печи, где они обра­зуют активную газовую среду. Основ­ная ведущая реакция при наличии мета­на:

                                     СН₄ = 2Н₂ + С_ат

В зависимости от со­става газовой смеси и содержания угле­рода в стали атмосфера в рабочем про­странстве печи может быть науглерожи­вающей, обезуглероживающей и ней­тральной. Нейтральному составу газо­вой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту кон­центрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируе­мой атмосферы. Следовательно, наугле­роживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше угле­родного потенциала газовой смеси при данной температуре.

Структура цементованного слоя. Ти­пичная структура цементованного слоя на поверхности низкоуглеродистой ста­ли после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 1. Наружная часть слоя, содержащая больше 0,8% С, имеет структуру заэвтектоидных ста­лей – перлит и вторичный цементит, ко­торый при медленном охлаждении вы­деляется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе сетка). Сред­няя часть слоя, имеющая эвтектоидную концентрацию, состоит из перлита. Да­лее по направлению к сердцевине кон­центрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали, причем количество перлита умень­шается при приближении к сердцевине.

 

1 — заэвтектоидная зона: 2 — эвтектоидная зона; 3 — доэвтектоидная зона Рисунок 8.1 – Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали, Х 50

Принято различать полную и эффек­тивную толщину цементованного слоя. За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5-1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм. Структура после цементации полу­чается крупнозернистой в связи с дли­тельной выдержкой деталей при темпе­ратуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цемента­ции зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали. Процесс газовой цементации идет бы­стрее, так как не приходится нагревать ящик с карбюри-

затором. Кроме того, процесс газовой цемента­ции легко регулируется и автоматизи­руется. На заводах работают автомати­зированные агрегаты для цементации, которые регулируют процесс по угле­родному потенциалу.

Термическая обработка после цемен­тации. Для получения заданного ком­плекса механических свойств после це­ментации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали, режим упрочняющей тер­мической обработки может быть разли­чен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в усло­виях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую по­верхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых ко­лес - высокую прочность на изгиб) и вы­сокую ударную вязкость. Для обеспече­ния указанных свойств требуется полу­чить мелкое зерно, как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких от­ветственных случаях цементованные де­тали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низко­го отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50 °С выше тем­пературы Ас₃ цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме де­тали установится аустенитное состояние. Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас₃, вы­зывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозер­нистость продуктов распада. При этой тем­пературе весь диффузионный слой переходит в аусте­нитное состояние, поэтому, чтобы пред­отвратить выделение цементита, прово­дят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры t с превышением на 30-50 °С температуры Ас₁. В процессе нагрева мартенсит, полу­ченный в результате первой закалки, от­пускается, что сопровождается образо­ванием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхност­ной заэвтектоидной части слоя, увеличи­вая его твердость и другие показатели работоспособности, за счет уменьшения концентрации напряжения при шаровидной форме включений карбида.

Окончательной операцией термиче­ской обработки является низкий отпуск при 160-200° С, уменьшающий оста­точные напряжения и не снижающий твердость и прочности стали.

Азотирование стали. Азотированием называют процесс диффузионного насы­щения азотом поверхностной зоны де­талей. Азотирование применяют для по­вышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (колен­чатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучше­нию) и чистовой обработке. После азо­тирования детали шлифуют или поли­руют.

Обычное азотирование проводят притемпературе 500-600° С в муфелях или контейнерах, через которые пропускает­ся диссоциирующий аммиак. Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3-0,6 мм. Процесс азотирования является продолжительным и составляет 24 – 90 ч. Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520 ⁰С, а затем при 540 – 600 ⁰С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печью в потоке аммиака.

    Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, содержащие хром, алюминий и молиб­ден. С этими элементами азот образует очень твердые и из­носостойкие нитриды. Твер­дость азотированного слоя в 1,5...2 раза выше твердости цементированного слоя. Кроме того, азотирование повышает сопротивляемость поверхност­ного слоя коррозии. Азотиро­вание применяют для упрочне­ния гильз цилиндров, шесте­рен и др. В структуре азотированной легированной стали 38ХМЮА на поверхности (рис. 2) рас­положен тонкий нетравящийся белый слой, состоящий из ε + γ' – фазы. Затем следует се­рый слой, представляющий со­бой смесь γ'+ά – фаз. Далее располагается ά-фаза. Фазы γ' и ε представляют собой соот­ветственно карбонитриды Fе₄(N,С) и Fе₂(N,С), а ά-фа­за является азотистым ферри­том. В поверхностном слое располагаются также нитриды легирующих элементов. Микроструктура сердцевины состо­ит из сорбита отпуска, который получают термообработкой, проведенной до азотирования. Формирование структуры азотирован­ной зоны в углеродистых сталях проис­ходит примерно так же, как при азоти­ровании железа.

Рисунок 8.2 – Микроструктура стали 38 ХМЮА после азотирования

Поэтому, пользуясь диаграммой Fe-N можно предсказать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По ме­ре насыщения железа азотом при темпе­ратуре ниже 590 ⁰С сначала образуется ά-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой γ'-фазы с ГЦК ре­шеткой и упорядоченным расположе­нием атомов азота в центрах элемен­тарных ячеек.

Цианирование и нитроцементация – процесс одновременного насы­щения поверхности стали углеродом и азотом. Циани­рование может быть жидким или газовым (нитроцементация), а в зависимости от температуры нагрева – высокотемпературным (750...900 ⁰С) или низкотемпе­ратурным (530...560 ⁰С).

Жидкое цианирование осуществляется в расплавлен­ных цианистых солях (NаСN, КСN и др.), газовое – в смеси науглероживающего газа и аммиака. Чаще при­меняют газовое высокотемпературное цианирование, которое более безопасно, отличается экономичностью и возможностью механизации процесса.

Высокотемпературное цианирование, при котором преобладает насыщение стали углеродом, применяют для деталей, изготовленных из среднеуглеродистых ста­лей (шестерни, пальцы, валики, гайки и др.). После цианирования детали подвергают закалке и низкому отпуску. После высокотемпературного цианирования детали имеют примерно такую же структуру, как и це­ментированные (тонкая поверхностная корка состоит из карбонитридов, затем следует слой азотистого мартенсита см. рис.8.3). По сравнению с цементированными, цианированный слой обладает более высоким сопротивлением износу, лучшим сопротивлением коррозии.

Низкотемпературное цианирование характеризуется насыщением поверхности стали преимущественно азотом, и применяется для повышения режущих свойств инструмента из быстрорежущей стали. 

Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, бором и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами.

Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, по­вышенная износостойкость и твердость.

Рисунок 8.3 – Микроструктура стали 38 ХГТ после цианирования

Поверхностное насыщение стали металлами, а также таким элементом, как кремний, можно осуществлять при 900 – 1050 0С упаковкой изделия в порошкообразную среду, погружением в расплавленный ме­талл, если диффундирующий элемент имеет невысокую темпе­ратуру плавления (например, цинк; алюминий), или насыщени­ем из газовой среды. При газовом методе используют летучие галогениды, хлориды металлов. Алитирование.Алитированием называют насыщение поверх­ности стали алюминием. Чаще применяют алитирование в по­рошкообразных смесях. Детали упаковывают в ящик, заполнен­ный

рабочей смесью, в состав которой входят: алюминиевый порошок (25 – 50%) или ферроалюминий (50 – 75%), окись алюминия (25 – 75%) и хлористый аммоний       (~ 1,0%). Процесс ведут при 900 – 1050 ⁰С в течение 3 – 12 ч. Нередко применяют алитирование в ваннах с расплавленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий, содержа­щий 6 – 8% Fе (железо добавляют для того, чтобы исключить растворение обрабатываемых деталей в алюминии), процесс ве­дут при 700 – 800 ⁰С в течение 45 – 90 мин.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый раствор алюминия в ά -железе (рис 8.4 а). Концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ~30%. Увеличе­ние содержания в стали углерода и легирующих элементов тормозит диффузию алюминия. Глубина алитированного слоя чаще всего составляет 0,2 – 1,0 мм. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.

Хромирование стали – насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устой­чивость стали против газовой коррозии, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих более 0,3 – 0,4% С, повышает также твердость и изно­состойкость.

Хромирование чаще ведут в порошкообразных смесях (на­пример, 50% феррохрома, 49% окиси алюминия и 1% хлорис­того аммония).

           а)               б)                в)               г)               д)

а) алитированный слой в железе; б) хромированный слой в железе; в) хромированный слой в стали; г) силицированный слой на стали; д) борированный слой на железе

Рисунок 8.4 – Микроструктура диффузионных слоев

Некоторое применение нашло газовое хромиро­вание (нагрев в среде, содержащей СгСl₂) и в вакууме. При хромировании в вакууме изделия засыпают порошком хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную камеру. При высокой темпе­ратуре хром испаряется и диффундирует в железо. Хромирова­ние ведут при 1000 – 1050° С несколько часов.

Диффузионный слой, получаемый при хромировании техни­ческого железа, состоит из твердого раствора хрома в а – железе (рис. 8.4 б). Слой, получаемый при хромировании стали, содержащий углерод, состоит из карбидов хрома. На рис. 8.4 в,показана структура хромиро­ванного слоя, полученного на стали с 0,45% С. Слой состоит из карбидов хрома, под слоем карбидов находится переходной слой с высоким содержанием углерода (0,8%). Такие слои образуются в результате диффузии углерода из внутренних слоев к поверх­ности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образования карбидного слоя используется не весь углерод. Часть его составляет переходный слой с высоким содержанием углерода. Карбидный слой обла­дает высокой твердостью. Твердость слоя при хромировании стали – НV 1200 – 1300. Глубина хромированного слоя обычно не превышает 0,15 – 0,20 мм. Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.

Силицирование - насыщение поверхности стали кремнием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и не­сколько увеличивает устойчивость против износа. Силицирова­ние проводят в порошкообразных смесях (например, 75% ферросилиция +20% шамота +5% Н₄С1) или чаще в газовой среде, получаемый пропусканием хлора через реакционное пространство с обрабатываемыми деталями и ферросилицием или карбидом кремния. Процесс ведут при 950 – 1000 ⁰С.

Силицированный слой (рис. 8.4 г ) является твердым рас­твором кремния в ά -железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита. Это объясняется оттеснением угле­рода из диффузионного слоя вследствие пониженной раство­римости его в кремнистом феррите. Силицированный слой от­личается повышенной пористостью, глубина его 0,3 – 1,0 мм. Несмотря на низкую твердость (НV 200 – 300), силицированный слой обладает высокой износостойкостью после предваритель­ной пропитки маслом при 170 – 200 ⁰С.

Силицированию подвергают детали, используемые в обору­довании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т. д.).

Борирование, т. е. насыщение поверхностного слоя бором создает очень высокую твердость (Н V 1800 – 2000), износостой­кость и устойчивость против коррозии в различных средах. Бо­рирование стальных изделий чаще выполняют при электролизе расплавленных солей, содержащих бор. Хорошие результаты получены при газовом борировании. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана (В₂Н₆) или треххлористого бора в смеси с водородом при 850 – 900 ⁰С. На поверхности образуется борид железа FеВ, а ниже – борид Fе₂В и ά-твердый раствор (рис. 8.3д). Углерод и легирующие элементы уменьшают глубину бориро-ванного слоя, чаще она достигает 0,1 – 0,20 мм.

Борированию подвергают детали, применяемые в оборудова­нии нефтяной промышленности. Например, втулки грязевых нефтяных насосов для повышения их устойчивости против аб­разивного износа. Борирование поверхностей контакта штампов для горячей штамповки значительно повышает их стойкость. Борированию можно подвергать любые стали.

8. Контрольные вопросы

8.1.  Преимущество поверхностной термической обработки от объемной.

8.2.  Назовите основные виды ХТО.

8.3.  Назначение и принцип цементации поверхности деталей.

8.4.  Основные виды карбюризаторов используемых при цементации.

8.5. Основное условие необходимое для диффузии атомарного углерода в поверхностный слой детали.

8.6. Структура упрочненного слоя после цементации.

8.7. При каких условиях работы деталей целесообразно проводить азотирование.

8.8.  Отличительные особенности азотирования по отношению к цементации.

8.9.  Микроструктура и глубина азотированного слоя.

8.10. Обоснуйте предварительную объемную закалку детали с последующим высоким отпуском перед азотированием.

8.11. При каких условиях работы деталей целесообразно проводить цементацию.

8.12. Обоснуйте температуру цементации и азотирования.

8.13. В чем отличие высокотемпературного и низкотемпературного цианирования.

8.14. Как называются процессы одновременного насыщения поверхности изделия атомарным углеродом и азотом. Обоснуйте процессы.

8.15. Перечислите основные виды диффузионной металлизации.

 

Список рекомендуемой литературы

9.1. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению / Под.ред. С.С. Некрасова – М.:Агропромиздат, 1991г.

9.2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение:-М.:Высшая шк., 1990г.

9.3. Арзамасов Б.Н. и др. Материаловедение: -М.:Машиностроение

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 9