Тема 7 Химико-термическая обработка стали

План лекции 1. Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали 2. Цементация 3. Азотирование 4. Нитроцементация 5. Цианирование 6. Борирование 7. Диффузионная металлизация

1. Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии: Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии: Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция); Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла І ІІ ІІІ

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения. Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения. Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса

2. Цементация

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости. Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 – 0,10 мм или после окончательной обработки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 – 0,05 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др. Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 – 0,10 мм или после окончательной обработки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 – 0,05 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.

Механизм образования и строение цементованного слоя Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH 2 и др.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла. Толщина (эффективная) цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм. Чем выше температура, тем больше толщина слоя, получаемая за данный отрезок времени Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH 2 и др.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла. Толщина (эффективная) цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм. Чем выше температура, тем больше толщина слоя, получаемая за данный отрезок времени

Цементация твердым карбюризатором В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы: углекислый барий и кальцинированную соду количестве 10 – 40% от массы угля Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 – 30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние между деталями и до боковых стенок ящика 10 – 15 мм

Нагрев до температуры цементации (910 – 930 ˚С) составляет 7 – 9 мин. на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5 – 6,5 ч для слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1,2 – 1,5 мм. При большом размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм продолжительность выдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1,2 – 1,5 мм – 11 – 14 ч. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500 ˚С и затем раскрывают Нагрев до температуры цементации (910 – 930 ˚С) составляет 7 – 9 мин. на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5 – 6,5 ч для слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1,2 – 1,5 мм. При большом размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм продолжительность выдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1,2 – 1,5 мм – 11 – 14 ч. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500 ˚С и затем раскрывают

Газовая цементация Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи

Газовая цементация В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах. В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию производят в без муфельных печах непрерывного действия. В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован и автоматизирован; производительность таких установок достигает 500 – 600 кг/ч и более. В этих печах обрабатываемые детали размещаются в поддонах, перемещаемых толкателями вдоль рабочей камеры. Скорость газовой цементации при температуре 930 – 950˚С составляет 0,12 – 0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5 – 1,7 мм В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах. В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию производят в без муфельных печах непрерывного действия. В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован и автоматизирован; производительность таких установок достигает 500 – 600 кг/ч и более. В этих печах обрабатываемые детали размещаются в поддонах, перемещаемых толкателями вдоль рабочей камеры. Скорость газовой цементации при температуре 930 – 950˚С составляет 0,12 – 0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5 – 1,7 мм

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины. После цементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 890 ˚С назначают для исправления структуры сердцевины Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины. После цементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 890 ˚С назначают для исправления структуры сердцевины

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей Вторую закалку проводят с нагревом до 760 – 780 ˚С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном колебании, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания. Заключительно операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, снимающий напряжения. Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий Вторую закалку проводят с нагревом до 760 – 780 ˚С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном колебании, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания. Заключительно операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, снимающий напряжения. Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий

3. Азотирование

Азотирование Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхности слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 600 ˚С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 ˚С Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхности слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 600 ˚С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 ˚С

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости. Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки.

Механизм образования азотированного слоя. Азотирование проводят в атмосфере аммиака, образовавшийся атомарный азот диффундирует в железо Механизм образования азотированного слоя. Азотирование проводят в атмосфере аммиака, образовавшийся атомарный азот диффундирует в железо Стали для азотирования. Твердость слоя, получаемого при азотировании железа, невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают особо высокую твердость и износостойкость. Если главным требованиям, предъявляемым к азотированному слою, является высокие твердость и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35 – 0,42% С; 1,35 – 1,65% Cr; 0,7 – 1,10%Al и 0,15 – 0,25% Мо. Одновременно присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя Стали для азотирования. Твердость слоя, получаемого при азотировании железа, невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают особо высокую твердость и износостойкость. Если главным требованиям, предъявляемым к азотированному слою, является высокие твердость и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35 – 0,42% С; 1,35 – 1,65% Cr; 0,7 – 1,10%Al и 0,15 – 0,25% Мо. Одновременно присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя

Технология процесса азотирования 1. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине 2. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали. 3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01 – 0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки. 4. Азотирование 5. Окончательное шлифование изделия

Азотирование в жидких средах Процесс проводят при 570 ˚С в течении 0,5 – 3 ч в расплавленных цианистых слоях. Соли расплавляются в тигле из титана. В следствие низкой температуры в сталь диффундирует в основном азот, образующийся при разложении цианистых солей. В результате обработки на поверхности стали возникает тонкий (7 – 15 мкм) карбонитридный слой, обладающий высоким сопротивлением износу и не склонный к хрупкому разрушению. Жидкое азотирование значительно повышает предел выносливости сталей. Этот процесс за рубежом широко применяется для обработки деталей автомобиля (коленчатых валов, шестерен и т. д.)

Преимущества: 1. Проводится после окончательной термообработки, поэтому не требует дополнительных припусков. 2. Более высокая твердость и износостойкость. 3. Более высокая коррозионная стойкость. … Недостатки: 1. Более тонкий слой. 2. Более длительный процесс, требующий сложного оборудования, производительность меньше

4. Нитроцементация

Нитроцементация Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 – 860 ˚С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4 – 10 ч. Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных изделий. Толщина слоя при нитроцементации не должна превышать 1,0 мм. При большой толщине слоя в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 – 860 ˚С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4 – 10 ч. Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных изделий. Толщина слоя при нитроцементации не должна превышать 1,0 мм. При большой толщине слоя в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали

Нитроцементация После нитроцементации следует закалка. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 ˚С. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840 – 860 ˚С вместо 910 – 930 ˚С); глубина слоя меньше; получается меньше деформации и коробление изделий; повышается сопротивление износу и коррозии После нитроцементации следует закалка. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 ˚С. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840 – 860 ˚С вместо 910 – 930 ˚С); глубина слоя меньше; получается меньше деформации и коробление изделий; повышается сопротивление износу и коррозии

5. Цианирование

Цианирование Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 – 950 ˚С в расплавленных солях. В этом процессе изделия нагревают до 820 – 950 ˚С в расплавленных слоях. Продолжительность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя и составляет 30 – 90 мин. После закалки низкотемпературный отпуск (180 – 200 ˚С). Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 – 950 ˚С в расплавленных солях. В этом процессе изделия нагревают до 820 – 950 ˚С в расплавленных слоях. Продолжительность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя и составляет 30 – 90 мин. После закалки низкотемпературный отпуск (180 – 200 ˚С). Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Этот вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей

6. Борирование

Борирование Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Борирование чаще выполняют при электролизе расплавленной буры. Изделие служит катодом. Температура насыщения 930 – 950 ˚С при выдержке 2 – 6 ч. Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин для литья под давлением

7. Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относится высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость Поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относится высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость

Алитирование Алитированием называют насыщение поверхности стали алюминием. В результате аллитирования сталь приобретает высокую окалиностойкостью (до 850 – 900 ˚С), так как в процессе нагрева на поверхности аллитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах

Хромирование Хромированием называют процесс насыщения 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 свыше 0,3 – 0,4% С, повышает также твердость и износостойкость. Хромированием используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах

Силицирование Насыщение поверхности стали кремнием называют силицированием. Силицирование придает стали высокую коррозионную стойкость морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т.д.)

Благодарим за внимание