Основные виды химико-термической обработки, их сравнительная технико-экономическая оценка

 

Исполнитель: студентка 1-го курса

специальности «Мировая экономика»

Нессон Екатерина Витальевна

Руководитель: кандидат экономических наук,

кандидат технических наук, доцент

Бахмат Владимир Афанасьевич

 

Минск, 2012

Содержание:

цементация азотирование цианирование

Введение

Общая характеристика процессов ХТО

Классификация процессов ХТО

Цементация

Азотирование

Нитроцементация и жидкое цианирование

Заключение

Литература

 

Введение

 

Задолго до открытия явления диффузии процессы химико-термической обработки использовались для упрочнения металлических изделий. Например, известно, что в глубокой древности проводили цементацию (науглероживание) железа. Наиболее древний образец науглероженного изделия, найденный в храме Артемиды, датирован II в. до н.э. Уже тогда ремесленники заметили, что железо, прокаленное в древесном угле, становится более твердым.

Что же касается настоящего времени, то для современного машиностроения характерна непрерывно растущая энергонапряженность и тяжелые условия эксплуатации машин.[1]Поэтому для повышения долговечности и надежности машин широко используется химико-термическая обработка (ХТО).

По сравнению с другими методами поверхностной обработки металлов (дробеструйный наклеп, накатка роликами, индукционная, газопламенная и электролитная закалка, лазерная обработка и т.д.) химико-термическая обработка, часто уступая им в производительности, имеет ряд существенных преимуществ:[2]

ХТО можно подвергать детали любых размеров и конфигураций. Как правило, детали сложной конфигурации подвергать поверхностному упрочнению иными методами весьма сложно или вообще невозможно.

основная опасность, возникающая при всех термических методах поверхностного упрочнения, - перегрев поверхности, при ХТО или отсутствует, или может быть устранен последующей термообработкой изделий.

ХТО применяют:

.   Для поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионной прочности, сопротивления кавитации);

.   Для повышения сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;

.   Для придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых);

.   Для придания изделиям соответствующего внешнего вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);

.   Для облегчения технологической обработки металлов давлением, резанием и другими способами.

 

Общая характеристика процессов химико-термической обработки

 

Химико-термическая обработка - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких или газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами, которые называют насыщающими элементами или компонентами насыщения. Иногда химико-термическую обработку проводят и с прямо противоположной целью - для удаления из сплава тех или иных элементов.

Основные процессы любого вида ХТО: диссоциация - абсорбция - диффузия.

Диссоциация - получение насыщающего элемента в более активном, атомарном состоянии: ,  и т.д.

Абсорбция - захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента с образованием химических связей между ионами насыщающего элемента и основного металла (хемосорбция);

Диффузия - перемещение захваченного поверхностью атома насыщающего элемента вглубь обрабатываемого изделия. [3]

В результате всех процессов ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяются химический и фазовый состав поверхностных слоев обрабатываемого материала, что обусловливает изменениях структуры и свойств.[4]

Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но недостаточным) является существование растворимости насыщающего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. При выполнении указанного условия диффузионный слой образуется, если соблюдаются требуемые температурно-временные условия обработки.

Классификация процессов ХТО

 

На Схеме 1 приведена классификация процессов химико-термической обработки в зависимости от количества насыщающих элементов, участвующих в процессе, и их природы.

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация и цианирование. Именно эти виды ХТО мы рассмотрим далее. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяются значительно реже.

 

Цементация

 

Трудно назвать такую отрасль промышленности, где бы не использовалась цементация. Особенно широко - в автомобильной, тракторной, авиационной промышленности и сельхозмашиностроении.

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве (чаще 900 - 950 ˚С) в углеродосодержащей среде (карбюризаторе). Углерод растворяется в слое железа лишь в том случае, когда химический потенциал его в насыщающей среде выше, чем железе (стали). Диффузия углерода в железо возможна только в атомарном состоянии. [1]

Окончательные свойства цементованные стали приобретают после последующей термической обработки (закалки и низкого отпуска). Сама же цементация обеспечивает лишь необходимое распределение углерода от поверхности к сердцевине.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.

Цементация производится в углеродонасыщенных твердых, жидких или газообразных средах (карбюризаторах) основные составы которых приведены в табл. 1.[5]

 

Таблица 1. Основные составы твердых, жидких и газообразных карбюризаторов [6]

	Состав карбюризатора
Твердые карбюризаторы	Древесный-березовый уголь в смеси с 20-25 % ВаСО3 и 3,5-5 % СаСО3
	Каменноугольный полукокс в смеси с 10-15 % ВаСО3 и 3,5-5 % СаСО3
Жидкие карбюризаторы	78-85 % СО3 или K2СО3 + 10-15 % NаСl + 6-8 % SiС
Газообразные карбюризаторы	Эндотермическая среда (20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2) + до 5 % природного газа (СН4)
	Экзо-эндогаз (20 % СО, 20 % Н2, 60 % N2) + 0,5-5 % СН4
	Газы, получаемые из керосина, различных спиртов и других углеводородов, непосредственно в печи для цементации

 

При твердофазной цементации процесс ведут следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики, которые загружают в печь, нагретую до температур от 600-700°С, и нагревают до температуры цементации - 930-950 °С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи - охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе.

К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся:

ü большая трудоемкость процесса;

ü низкая производительность (длительность процесса до 11 - 14 часов);

ü трудность регулирования содержания углерода в слое;

ü неблагоприятные санитарно-гигиенические условия труда (угольная пыль, грязь);

ü невозможность регулирования степени насыщения;

ü невозможность проведения закалки непосредственно после цементации;

ü дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п.

Промышленное применение цементации в твердом карбюризаторе на сегодняшний день резко сокращается. Однако простота метода, возможность проводить процесс на стандартном печном оборудовании без установки дополнительных устройств делают этот метод весьма распространенным в условиях мелкосерийного производства, в ремонтных цехах и на участках крупных предприятий.

Жидкостная цементация производится при температуре 840-860° С. Время выдержки от 30 мин до 2,5 ч.[7] Глубина цементованного слоя 0,3-0,7 мм.

Основные достоинства жидкостной цементации в соляных ваннах:

ü равномерность нагрева;

ü возможность непосредственной закалки из цементационной ванны;

ü небольшие деформации обрабатываемых деталей.

ü сравнительно небольшая длительность процесса

Скорость цементации в соляных ваннах с течением времени замедляется. Поэтому данный процесс применяют обычно для получения слоя до 0,3 мм. (Если добавить в ванну еще 5-8% хлористого аммония ( ), то это ускорит процесс, к тому же одновременно с науглероживанием произойдет и некоторое насыщение азотом). [8]Жидкая цементация с получением небольшого слоя успешно применяется для мелких и тонкостенных деталей, например для различных нормалей.

Косновным недостатками цементации в жидком карбюризаторе следует отнести:[6]

ü неравномерность глубины цементованного слоя;

ü необходимость частых регенераций углеродо насыщенного расплава (через каждые 3 часа ванну следует освежать, добавляя SiCи СО3, а одни раз в месяц - полностью менять).

Газовая цементация заключается в том, что цементируемые детали нагревают и выдерживают при температуре 900-1100°С в печи, куда в течение всего процесса подается цементирующий газ. [9]. Для этой цели используют генераторный, светильный, природные газы и продукты пиролиза (разложения) керосина. Газовая цементацияобеспечивает: [6]

ü наибольшую равномерность по толщине и свойствам цементованного слоя, в итоге чего повышается качество цементируемого слоя.

ü снижает время, затрачиваемое на процесс химико-термической обработки, так как нагрев и охлаждение производятся со значительно большими скоростями, чем это можно осуществить в цементационных ящиках; в итоге повышается производительность процесса;

ü позволяет производить закалку изделий непосредственно после цементации;

ü возможность точного регулирования процесса цементации путем изменения состава цементующего газа;

ü отсутствие громоздкого оборудования и угольной пыли.

Итак, наиболее совершенным, управляемым и экономичным является процесс цементации газовым карбюризатором, получивший наибольшее распространение в серийном и крупносерийном производстве цементованных изделий.

 

Азотирование

 

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. [3] Азотирование, как правило, производят газовым методом в электрических печах периодического действия или в печах непрерывного действия.

Процесс азотирования происходит следующим образом. Изделия загружают в плотно закрывающийся муфель, который помещают в электрическую печь. По трубке в муфель подается аммиак ( ). Процесс азотирования протекает при температурах 500 - 600°. При этих температурах аммиак диссоциирует (разлагается) на свои составные части - азот и водород: . Образовавшийся атомарный азот поглощается поверхностью изделий, а водород с неразложившейся частью аммиака выходит из муфеля по отводящей трубке.[11]

Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др.Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 - 500 ˚С), тогда как твердость цементованного слоя сохраняется только до 200 - 225 ˚С [3].

Высокая твердость азотированного слоя объясняется тем, что азот, проникая в поверхность металла, образует химические соединения с элементами, входящими в состав стали, - алюминием, хромом, молибденом и др. Такие соединения называют нитридами. Они имеют высокую твердость, а главное - выделяются в виде очень мелкодисперсных частиц.[10]

Процесс азотирования имеет также и некоторые технологические преимущества перед цементацией:

ü после азотирования не требуется закалка,

ü процесса на 350-400°С ниже, чем при цементации

ü коробление деталей при азотировании получается меньшим.

Серьезным недостатком азотирования является большая длительность этого процесса. Цикл азотирования длится до двух суток. К тому же для азотирования приходится применять дорогие легированные стали, и потому детали получаются в 2-3 раза дороже, чем обычные.

Тем не менее, азотирование - один из наиболее распространенных методов обработки ответственных сталей, использование которого в промышленно развитых странах постоянно расширяется. Как показывает практика, применение азотирования особенно эффективно для разнообразных сопряжений, где основной причиной разрушения поверхностей является трение. Этот метод ХТО широко используется в авиационной, машиностроительной, автомобильной, нефтяной промышленности. Азотированию подвергают режущий и мерительный инструменты, детали пресс-форм для литья цветных сплавов [2].

 

Нитроцементация и жидкостное цианирование сталей

 

Нитроцементация и жидкостное цианирование стали - процессы химико-термической обработки, заключающиеся в высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Причем процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах, состоящих из науглероживающего газа и аммиака <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BC%D0%BC%D0%B8%D0%B0%D0%BA>,- нитроцементацией. [13]

Цианирование осуществляется погружением стальных изделий в ванны, содержащие расплавленные цианистые соли (NaCN, KCN или Ca и нейтральные соли (NaCl, KC1, , , и др.). Цианистые соли являются источником поверхностного насыщения стали углеродом и азотом.В зависимости от температуры процесса, различают три вида цианирования:[2]

1. Высокотемпературное (930 - 950°С). Применяется для деталей, требующих большой толщины диффузионного слоя (0,5 - 2,0 мм).Время насыщения - 1,5 - 6 часов.

2. Среднетемпературное (820 - 860°С). Время насыщения от 30 мин до 1 часа. Применяется для обработки мелких и тонкостенных деталей.

3. Низкотемпературное (560 - 580°С). Время насыщения - 30 мин - 3 ч. Применяется для упрочнения режущего и штамповочного инструмента.

При более высокой температуре процесса в насыщенном слое увеличивается содержание углерода, а азота растворяется меньше. Снижение температуры цианистой ванны ведет к повышению концентрации азота в насыщенном слое.

Недостатком жидкостного цианирования является сильная ядовитость цианистых солей. Поэтому цианистые ванны устанавливают в отдельном помещении, с вентиляцией у каждой ванны. При работе на цианистых ваннах требуется большая осторожность и тщательное соблюдение всех правил техники безопасности.

Нитроцементация производится в специально герметически закрытых печах с жаропрочными муфелями и специальными устройствами для подачи газа и аммиака при температуре 840-860°С, время насыщения - от 2 до 10 часов. В процессе этого вида ХТО обычно образуется диффузионный слой от 0,8 до 1,0 мм. Дальнейшее насыщение идет крайне медленно, что значительно удорожает процесс.

По сравнению с жидкостным цианированием нитроцементация имеет следующие преимущества:[14]

ü безопасность процесса благодаря отсутствию ядовитых цианистых солей;

ü возможность регулирования процесса путем изменения содержания углерода и азота в газовой среде;

ü более низкую стоимость обработки(стоимость цементующего газа и аммиака ниже стоимости цианистых солей).

ü возможность применения высокопроизводительных агрегатов непрерывного действия, что ведет к удешевлению процесса насыщения деталей азотом и углеродом.

Нитроцементация имеет некоторые технологические преимущества и по сравнению с газовой цементацией.

ü более низкая температура процесса (840- 860° С вместо 900-950° С);

ü меньшая продолжительность процесса;

ü меньшее выделение сажи;

ü большая износостойкость деталей;

ü увеличение срока службы печи и уменьшение расхода топлива (удешевление процесса).

Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонных к короблению.

 

Заключение

 

Химико-термическая обработка в ряде случаев является единственно возможным средством получения требуемых эксплуатационных свойств не только поверхности, но и изделия в целом. Более того, она позволяет получить такое сочетание свойств упрочняемого изделия, которое другими методами получить невозможно. В результате всех процессов химико-термической обработки достигается гораздо более существенное различие свойств сердцевины изделия и его поверхностных слоев, чем при других методах поверхностной обработки. Это обусловлено тем, что при механических и термических методах поверхностного упрочнения изменяется только строение приповерхностных микрообъемов, а при ХТО в результате диффузии изменяется их химический фазовый состав.

Основными видами ХТО, наиболее часто употребляемыми сегодня в промышленности, являются процессы насыщения углеродом и азотом. Из всех существующих способов науглероживания стали наиболее эффективными и экономически выгодным является процесс газовой цементации, получивший наибольшее применение в серийном и крупносерийном производстве. Поверхностные слои, получаемые азотированием, обладают более высокой твердостью по сравнению с цементованными слоями в связи с образованием нитридов в поверхностных слоях стали. Однако этот процесс очень сильно повышает себестоимость изделий из-за его низкой производительности. Но, несмотря на это, азотирование широко используется для обработки ответственных деталей. Цианирование и нитроцементация - процессы насыщения стали азотом и углеродом одновременно. Причем второй процесс является более выигрышным по сравнению с первым ввиду его безопасности и более низкой стоимости обработки. Как можно было заметить, сегодня наиболее эффективными и качественными процессами ХТО являются регулируемые процессы насыщения в газовых средах: азотирование, цементация, нитроцементация.

Многокомпонентные диффузионные слои еще не нашли широкого промышленного применения. В то же время именно за новыми и, как правило, многокомпонентными диффузионными слоями будущее.

С каждым годом число процессов ХТО, используемых в промышленности, будет увеличиваться. Это обусловлено все возрастающей стоимостью специальных сталей и сплавов, а также возможностью их замены менее дефицитными материалами, упрочненными ХТО. Следовательно, необходимы дальнейшие систематические исследования как теоретического, так и прикладного характера для усовершенствования этого метода поверхностного упрочнения изделий. Освоение космоса, развитие скоростного машиностроения и электроники требуют создания качественно новых материалов, поэтому дальнейшее развитие должна получить химико-термическая обработка цветных и тугоплавких металлов, а также твердых сплавов и композиционных материалов. Дальнейшее развитие техногенной цивилизации требует оптимизации уже известных и разработки новых технологий термической и химико-термической обработки. [2]

 

Литература:

 

1. Лахтин, Ю. М. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 424с.

2. Ворошнин, Л.Г.Теория и технология химико-термической обработки: учеб.пособие / Л.Г. Ворошнин, О.Л. Менделеева, В.А. Сметкин. - М.: Новое знание, 2010. - 304 с.

3. Технология металлов и материаловедение/ [Б. В. Кнорозов, Л. Ф. Усова, А. В. Третьяков и др.]. - М.: Металлугрия, 1987. - 800с.

Химико-термическая обработка металлов: // Википедия - свободная энциклопедия: URL: <http://ru.wikipedia.org/wiki/Химико-термическая_обработка_металлов>. (Датаобращения: 2.11.2012).

Цементация: // Металлообработка.Су: URL: <http://www.metalloobrabotka.su/cementacia.html>. (Датаобращения: 2.11.2012).

Таблица 1: Составы углероднасыщенных сред (карбюризаторов), применяемых в процессе цементации сталей, и режимы химико-термической обработки изделий: // Металлообработка.Су: URL: <http://www.metalloobrabotka.su/tabl1.html>. (Датаобращения: 2.11.2012).

Жидкостная цементация: // Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск: URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/3k/7-10-3.htm>. (Датаобращения: 2.11.2012).

Достоинства жидкой цементации: // Цветная металлургия: URL: <http://ssgpo.kz/dostoinstva-zhidkoj-cementacii/>. (Датаобращения: 2.11.2012)

Жидкостная цементация: // Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск: URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/3k/7-10-2.htm>. (Датаобращения: 2.11.2012).

Азотирование:// Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск: URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/100/53.htm>. (Датаобращения: 2.11.2012).

Химико-термическая обработка: Азотирование: // Ковка-пром.Ру: URL: <http://www.kovka-pro.ru/himiko-term-obrabotka/azotirovanie.html>. (Датаобращения: 2.11.2012).

4. Герасимов С. А. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов / С. А. Герасимов, Л. И. Куксенова, В. Г. Лаптева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. - 518, [2] с.: ил.

Нитроцементация: // Металлообработка.Су: URL: <http://www.metalloobrabotka.su/nitrocementacia.html>. (Дата обращения: 2.11. 2012).

Нитроцементация: // Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск: URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/100/63.htm>. (Дата обращения: 2.11. 2012).

5. Борисенок Г. В., Васильев Л. А., Ворошнин Л. Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. - М.: Металлургия, 1981. - 255 с.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: