Тема 8. Химико-термическая обработка (ХТО) стали

 

План лекции

1. Общая характеристика процессов ХТО стали

2. Цементация стали

3. Азотирование стали

4. Цианирование

5. Диффузионная металлизация

 

Общая характеристика процессов ХТО стали

Процессы ХТО за­ключаются в сочетании термического и химического воз­действия в целях изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит насы­щение поверхности стали различными химическими элементами за счет диффузии, проникновения в кристалли­ческую решетку железа атомов этих элементов. Этот про­цесс происходит при нагреве стальных деталей в газовой, жидкой или твердой среде, богатой этими элементами. Наиболее распространены следующие виды ХТО: цемен­тация, азотирование, цианирование, диффузионная ме­таллизация и т. д.

При ХТО достигается значительное повышение твер­дости и износостойкости поверхности деталей при сохра­нении вязкой сердцевины. При этом ХТО уступает по­верхностной закалке в производительности, но имеет перед ней ряд преимуществ.

1. ХТО можно подвер­гать изделия весьма сложной формы, получая по всей поверхности упрочненный слой одинаковой толщины.

2. Так как при ХТО изменяется не только строение (как при поверхностной закалке), но и состав поверхностного слоя, различие между свойствами поверхности и сердцевины более значительно.

3. ХТО по­зволяет придать поверхности дополнительно коррозион­ную стойкость и жаростойкость.

ХТО включает три основных взаимосвязанных про­цесса:

диссоциацию, заключающуюся в распаде молекул и получении насыщающего элемента в химически актив­ном атомарном состоянии. Например:

(1.11)

адсорбцию,которая состоит в поглощении поверхно­стью металла активных атомов насыщающего элемента. Этот процесс возможен только в том случае, когда насы­щающий элемент растворяется в основном металле либо образует с ним химические соединения;

диффузию, состоящую в проникновении насыщающе­го элемента вглубь основного металла. Глубина проник­новения элемента увеличивается с повышением температуры и увеличением продолжительности процесса, а так­же зависит от химического состава стали. В результате образуется диффузионный слой, который отличается от исходного металла по химическому составу, структуре и свойствам. Концентрация насыщающего элемента в диф­фузионном слое уменьшается по мере удаления от поверхности детали.

Цементация стали

Цементация– это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производит­ся путем нагрева стальных деталей при 900 - 950 °С без доступа воздуха в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цемента­ции – газовую и твердую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН₄ и оксид углерода СО. Твер­дая цементация проводится в стальных ящиках, куда укла­дываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солей Na₂CO₃ или ВаСО₃. При газовой цементации газ подается непосредственно в рабочее пространство печи, а при твер­дой – ящики помещаются в печь. Газовая цементация име­ет целый ряд преимуществ перед твердой:

· более высокая производительность процесса, так как не тратится время на прогрев ящиков с низкотеплопроводным карбюризатором;

· можно получить заданную концентрацию углерода в поверхностном слое;

· имеется возможность полной механи­зации и автоматизации процесса;

· упрощается термообра­ботка после цементации.

Поэтому газовая цементация яв­ляется основным процессом цементации в массовом производстве и только для единичного и мелкосерийно­го производства используется твердая цементация.

Цементации подвергают углеродистые и низколегиро­ванные стали с низким содержанием углерода (0,1-0,2 %). В результате на поверхности концентрация углерода воз­растает до 0,8-1,1 %. Толщина цементованного слоя со­ставляет 1 - 2,5 мм. Концентрация углерода убывает по толщине слоя по мере удаления от поверхности. Поэто­му в структуре цементованного слоя можно выделить три зоны:

· заэвтектоидную, состоящую из перлита и располо­женного по границам зерен вторичного цементита;

· эвтектоидную зону состоящую из перлита;

· доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита. При этом количество феррита по мере приближения к сердцевине возрастает.

Цементацией достигается только выгодное распреде­ление углерода по сечению детали. Высокая твердость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Тер­мообработка после цементации нужна не только для повышения твердости поверхностного слоя, но и для умень­шения величины зерна, так как при цементации (из-за длительной выдержки при высокой температуре) сталь становится крупнозернистой. После газовой цементации часто применяется закалка без повторного нагрева, непо­средственно из цементационной печи. В этом случае из­мельчения зерна не происходит, но это самый экономи­чески выгодный режим.

Если надо исправить крупнозернистую структуру охлаждение после цементации производится медленнее, после чего следует закалка с повторным нагревом выше А_С3. Для особо ответственных деталей производится двой­ная закалка: первая выше А_С3 - для сердцевины, а вторая выше А_С1, — для поверхностного слоя. После закалки по­верхностный слой имеет мартенситную структуру. Затем во всех случаях следует низкий отпуск. После этого твер­дость поверхности составляет HRC 58-62.

Азотирование стали

Азотированием называется процесс насыщения по­верхности стали азотом. При этом повышаются не толь­ко твердость и износостойкость, но и коррозионная стой­кость. Проводится азотирование при температуре 500-600°С в среде аммиака NH₃ в течение длительного времени (до 60 ч.) Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом. Твердость стали повышает­ся за счет образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию для повышения твердости под­вергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твердость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотиро­ванного слоя составляет 0,3-0,6 мм, твердость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до HV 1200 (при це­ментации HV 900). Для получения такой высокой твердости азотируют легированную сталь, содержащую 0,35 - 0,42 % С, 1,35 - 1,65 % Сг, 0,7 -1,1 % Аl и 0,15 - 0,25 % Мо (марка 38Х2МЮА). При применении других легирован­ных сталей твердость поверхностного слоя будет меньше. Высокая твердость азотированного слоя сохраняется при нагреве до температур 400 - 500 °С, тогда как твердость мартенситного цементованного слоя сохраняется лишь до 200 - 250 °С. Для повышения коррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.

Перед азотированием для получения высокой прочности и вязкости сердцевины проводится предварительная тер­мическая обработка деталей, которая состоит из закалки и высокого отпуска. После такой обработки сталь имеет структуру сорбита. Далее следует механическая обработка деталей. Если на поверхности деталей имеются участки, не подлежащие азотированию, на них наносится тонкий за­щитный слой олова или жидкого стекла. После азотирова­ния производится окончательное шлифование деталей. К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести:

1. отсутствие необходимости в дополнитель­ной термообработке,

2. более высокую твердость и износо­стойкость,

3. высокую коррозионную стойкость поверхнос­ти.

Недостатками азотирования являются:

1. низкая скорость процесса;

2. не­обходимость применения дорогих легированных сталей.

Длительность азотирования можно несколько сократить, используя двухступенчатый процесс. Сначала азотирова­ние производится при 500 - 520 ⁰С, а после этого при 540 - 560 ⁰С. Повышение температуры ускоряет диффузию, уменьшая время образования слоя необходимой толщины. Твердость поверхности при этом не снижается.

В последнее время получило применение ионное азо­тирование, которое производится в разреженной азотосодержащей атмосфере при подключении обрабатывае­мых деталей к отрицательному электроду — катоду. Ано­дом является контейнер установки. Между деталью и контейнером возбуждается тлеющий разряд, ионы газа бомбардируют поверхность детали, нагревая ее до темпе­ратуры насыщения. Ионное азотирование

· в 2-3 раза со­кращает продолжительность процесса,

· позволяет полу­чить поверхностный слой регулируемого состава,

· более экономично.

Цианирование

Цианирование– это процесс од­новременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Жидкостное цианирование проводится в распла­вах цианистых солей NaCN или KCN. Газовое цианирова­ние (нитроцементация) проводится в газовой среде, содер­жащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃. Углерод и азот ускоряют процесс диффузии друг друга. Различают низ­котемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500-600 °С. При этом преобладает насыще­ние азотом. Глубина цианированного слоя составляет 0,2-0,5 мм, твердость поверхности – HV 1000. Применяется низкотемпературное цианирование, главным образом для обработки инструмента из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном цианировании температура составляет 800 - 950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина поверхностного слоя составляет 0,6 - 2,0 мм. После высокотемпературного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твердость после термообработки со­ставляет HRC 60.

По сравнению с цементацией цианирование дает бо­лее высокую твердость и износостойкость. Повышается также коррозионная стойкость. Процессы цианирования более производительны, обеспечивают меньшую дефор­мацию и коробление деталей. Серьезными недостатками жидкостного цианирования является ядовитость циани­стых солей и высокая стоимость процесса.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация – это насыщение по­верхностного слоя стали различными элементами. При на­сыщении алюминием процесс называют алитированием, хромом – хромированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

При диффузионной металлизации металлы образуют с железом твердые растворы замещения. Диффузия металлов происходит значительно медленнее, чем диффузия углеро­да или азота, поэтому все процессы диффузионной метал­лизации протекают при больших температурах: алитирование при 900-1200°С, силицирование при 1050-1100 °С, хро­мирование при 1000-1200⁰С. Применение диффузионной металлизации технически эффективно и экономически выгодно. Детали из углеродистых сталей, насыщенные с по­верхности хромом, алюминием или кремнием, становятся жаростойкими при температуре 1000-1100°С, что значи­тельно выгоднее, чем изготовление их из дорогостоящих жаростойких легированных сталей.

При металлизации алюминием повышается жаростойкость деталей. Такие детали можно эксплуатировать при температуре 1200^оС.

Силицирование повышает жаростойкость до температуры 800- 850°С, со­противление истиранию, коррозионную стойкость в неко­торых кислотах.

Хромирование увеличивает твердость (до 1600-1800 HV), жаростойкость, коррозионную стойкость.

При борировании повышаются твердость, сопротив­ление абразивному износу и коррозионная стойкость. Борированная сталь теплостойкая (до температуры 900°С), жаростойкая (до температуры 800°С), но очень хрупкая. Чаще всего борируют среднеуглеродистую сталь при температуре 850-900°С с выдержкой в течение 2-6 ч; глубина слоя 0,15-0,35 мм. Борирование производят дву­мя способами: электролизным и газовым.

При электролизном способе в тигле с расплавленной бурой при температуре 950°С помещают графитовый стержень (анод) и обрабатываемую деталь (катод). Бура разлагается, обра­зуя атомарный бор, который диффундирует в поверхность стали.

Газовое борирование осуществляют в газовой смеси из диборана В₂Н₆ и водорода Н₂. Толщина борированного слоя не превышает 0,3 мм, твердость 1800-2000 HV. Бо­рируют траки, втулки газовых нефтяных насосов и другие быстро изнашивающиеся детали.

Новое направление в области диффузионной метал­лизации связано с процессом диффузии электронов, ионов, нейтронов в поверхностный слой металла. Бомбардировка электронами с помощью электронной пушки-ускорителя создает сильно нагретый поверхностный слой металла. При остывании получается гладкая оплавленная поверхность с высокой твердостью. В поверхностный слой детали мож­но направить с большой скоростью ионы более прочного ме­талла и создать на его поверхности улучшенный слой ме­талла, который путем диффундирования проникает на большую глубину. При обычной металлизации это не уда­ется, так как образовавшаяся при нагреве деталей оксидная пленка, или окалина, мешает проникновению атомов вводи­мого металла. При бомбардировке ионы легко в него про­никают. Таким образом, можно обычную углеродистую сталь штамповать требуемого размера и с малой шерохова­тостью поверхности, а затем облучением создать на ее по­верхности слой из другого, более прочного металла.

Выводы по лекции

Процессы химико-термической обработки (ХТО) заключаются в сочетании термического и химического воз­действия в целях изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит насы­щение поверхности стали различными химическими элементами за счет диффузии, проникновения в кристаллическую решетку железа атомов этих элементов. Этот про­цесс происходит при нагреве стальных деталей в газовой, жидкой или твердой среде, богатой этими элементами. Наиболее распространены следующие виды ХТО: цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация и т. д.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое ХТО стали?

2. Что такое диффузионная металлизация?

3. С какой целью проводят цементацию?

4. С какой целью проводят азотирование?

5. С какой целью и при каких условиях проводят цианирование?

6. С какой целью и в каких средах проводят нитроцементацию?

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: