Химико-термическая обработка Химико-термическая обработка Работу выполнил: Богинский Андрей Студент 219 группы

Содержание 1. Цементация 1. Цементация 2. Азотирование 2. Азотирование 3. Цианирование 3. Цианирование 4. Борирование 4. Борирование

ЦЕМЕНТАЦИЯ Цементация - наиболее распространенный в машиностроении способ химико-термической обработки стальных деталей - применяется для получения высокой поверхностной твердости, износостойкостью и усталостной прочности деталей. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя низкоуглеродистой и нелегированной стали углеродом до концентрации эвтектоидной или заэвтектоидной и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою структуру мартенсита с тем или иным остаточным количеством остаточного аустенита и карбидов. Глубина цементированного слоя обычно находится в пределах 0,5 - 2,0 мм (иногда для мелких деталей в пределах 0,1 - 0,3 мм, а для крупных - более 2,0 мм). Цементацию стальных деталей осуществляют в твердых, газовых и жидких карбюризаторах. За последние годы все большее развитие получает газовая цементация.

Диффузия углерода в сталь По количественной характеристике диффузии углерода в железо накоплены многочисленные данные. Коэффициент диффузии углерода в a-железо более чем на порядок выше, чем в g-железо, имеющее значительно более плотно упакованную решетку. Диффузия углерода в феррите обуславливает возможность протекание таких низкотемпературных процессов, как коагуляция и сфероидизация карбидов в отожженной стали, карбидообразование при отпуске закаленной стали, графитизация и т. д. Однако, цементация при температурах существования a-железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой фазе углерода. Цементация проводится при температурах oС и выше, при которых сталь находится в аустенитном состоянии. Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в аустените выражается уравнением: Dc=(0,07 + 0,06C%)e /RT Или по другим данным: Dc=(0,04 + 0,08C%)e /RT. Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Это, очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки аустенита и термодинамической активностью углерода. Легирующие элементы оказывают существенное влияние на диффузию углерода в аустените, что связано с искажением кристаллической решетки, изменением энергии межатомной связи в твердом растворе и термодинамической активности углерода. Результаты изучения влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените при 1100о С приведены на рисунке 1. При других температурах влияние некоторых элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените изменяется. карбидообразующие элементы обычно замедляют, а некарбидообразующие ускоряют диффузию углерода. Однако, следует заметить, что это обобщение требует существенного уточнения. Так, например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените при низких температурах (ниже 950о С), что согласуется с представлением о кремнии как о некарбидообразующем элементе, искажающем кристаллическую решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию. По количественной характеристике диффузии углерода в железо накоплены многочисленные данные. Коэффициент диффузии углерода в a-железо более чем на порядок выше, чем в g-железо, имеющее значительно более плотно упакованную решетку. Диффузия углерода в феррите обуславливает возможность протекание таких низкотемпературных процессов, как коагуляция и сфероидизация карбидов в отожженной стали, карбидообразование при отпуске закаленной стали, графитизация и т. д. Однако, цементация при температурах существования a- железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой фазе углерода. Цементация проводится при температурах oС и выше, при которых сталь находится в аустенитном состоянии. Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в аустените выражается уравнением: Dc=(0,07 + 0,06C%)e /RT Или по другим данным: Dc=(0,04 + 0,08C%)e /RT.

Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Это, очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки аустенита и термодинамической активностью углерода. Легирующие элементы оказывают существенное влияние на диффузию углерода в аустените, что связано с искажением кристаллической решетки, изменением энергии межатомной связи в твердом растворе и термодинамической активности углерода. Результаты изучения влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените при 1100о С приведены на рисунке 1. При других температурах влияние некоторых элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените изменяется. карбидообразующие элементы обычно замедляют, а некарбидообразующие ускоряют диффузию углерода. Однако, следует заметить, что это обобщение требует существенного уточнения. Так, например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените при низких температурах (ниже 950о С), что согласуется с представлением о кремнии как о некарбидообразующем элементе, искажающем кристаллическую решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию.

Сталь для цементации. Цементированные детали после соответствующей термической обработки должны иметь твердый, прочный поверхностный слой, стойкий против износа и продавливания, и достаточно прочную и вязкую сердцевину. В связи с последним требованием для цементации применяют низкоуглеродистую сталь, содержащую 0,08 - 0,25 %С. В последние годы для высоконагруженных зубчатых колес и других ответственных, в том числе крупных, деталей начали использовать цементуемую сталь с более высоким (0,25 - 0,35%) содержанием углерода. Поэтому оказалось возможным уменьшить глубину цементованного слоя, не опасаясь его продавливания при больших нагрузках, предотвратить преждевременное разрушение поверхностного слоя из-за пластической деформации слоев металла, лежащих непосредственно под этим слоем, а также закаливать сердцевину с более низкой температуры без перегрева цементованного слоя.

Положительное влияние повышения содержания углерода в цементованной стали отмечалось и в ряде последующих работ. Показано, что увеличение содержания в некоторых сталях углерода повышает предел их выносливости лишь в случае одновременного некоторого снижения глубины цементованного слоя. Для цементации широко используют низкоуглеродистую качественную сталь (08, 10, 15 и 20) и автоматную сталь (А12, А15, А15Г, А20), а для неответственных деталей низкоуглеродистую сталь обыкновенного или повышенного качества (Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, М12, М16, Б09, Б16 и др.). ответственные изделия изготавливают из легированной стали. Основное назначение легирующих элементов в цементуемой стали - повышение ее прокаливаемости и механических свойств сердцевины. Большинства легирующих элементов понижает склонность зерна стали к росту при нагреве, а некоторые из них улучшают механические свойства цементованного слоя.

Цементация в разных средах. Цементация в твердом карбюризаторе. Цементация в твердом карбюризаторе. Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты (далее т. в. ч.). Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты (далее т. в. ч.). Цементация в пастах. Цементация в пастах. Цементация в пастах с нагревом т. в. ч. Цементация в пастах с нагревом т. в. ч. Газовая цементация. Газовая цементация. Высокотемпературная газовая цементация стали в печах. Высокотемпературная газовая цементация стали в печах. Цементация с нагревом т. в. ч. Цементация с нагревом т. в. ч. Ионная цементация. Ионная цементация. Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем. Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем. Цементация в жидкой среде. Цементация в жидкой среде. Цементация в расплавленном чугуне. Цементация в расплавленном чугуне. Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она используется довольно часто. Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она используется довольно часто.

Газовая цементация. Возможность цементации стали в газовой среде была показана еще в работе П. П. Аносова, выполненной в 1837 году. Однако только почти через сто лет (в 1935 г.) этот процесс начали впервые внедрять в производство в высокопроизводительных муфельных печах непрерывного действия на автозаводе им. Лихачева. При этом в качестве газового карбюризатора была использована среда, получаемая при пиролизе и крекинге керосина. Для газовой цементации пока еще часто применяют шахтные муфельные печи и печи непрерывного действия с длинными горизонтальными муфелями из окалиностойкого сплава. Изредка применяют также печи с вращающимися ретортами. В последние годы начали получать все большее распространение безмуфельные печи непрерывного действия, нагреваемые излучающими трубками из стали Х23Н18 или Х18Н25С2. Детали загружают в печи в поддонах (в корзинах) или в различных приспособлениях, на которых они располагаются на расстоянии мм между цементуемыми поверхностями; мелкие детали загружают навалом на этажерки, помещаемые в корзины. Для газовой цементации используют различные карбюризаторы - газы: природный ( % СН4); природный разбавленный для городских нужд ( % СН4); светильный ( % СН4, % СО): нефтяной ( % СН4): коксовый ( % СН4, % СО); сжиженные: пропан, бутан, пропано- бутановая смесь.

Сложные углеводороды, которые входят в состав карбюризаторов или образуются при из разложении в результате ряда промежуточных реакций, распадаются в основном до метана. При крекинге углеводородов, который производится для снижения их активности или получения эндогаза, образуется также СО. Таким образом, химизм выделения атомарного углерода при газовой цементации сводится к распаду метана и окиси углерода. СН4 = С + 2Н2. 2СО = СО2 + С. Метан является более активным карбюризатором чем окись. Для науглероживания железа при С в смеси СН4;-Н2 достаточно наличия всего лишь нескольких процентов метана, тогда как для цементации в смеси СО-СО2 необходима концентрация около 95-97% СО.

Свойства цементованной стали. Оптимальное содержание углерода в поверхностной зоне цементованного слоя большинства сталей 0,8-0,9%C, при таком его количестве сталь обладает высокой износостойкостью. Дальнейшее увеличение содержание углерода уменьшает пределы выносливости и прочности стали при статических и динамических испытаниях. Однако наиболее износостоек цементованный слой при несколько повышенном содержании в нем углерода (по некоторым данным до 1,2% С). при этом после термической обработки цементованный слой должен иметь структуру мелкоигольчатого или скрытокристаллического мартенсита с мелкими глобулями карбидов и небольшим количеством остаточного аустенита. Цементация повышает предел выносливости стали. Объясняется это, возникновением в слое остаточных сжимающих напряжений в связи с неодинаковым изменением объема слоя и сердцевины стали в процессе цементации и закалки. Наибольшее повышение предела выносливости достигается при цементации на сравнительно небольшую глубину, когда цементованный слой приобретает после закалки мартенситную структуру с минимальным количеством остаточного аустенита, в результате чего в слое возникают максимальные сжимающие напряжения.

Азотирование Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс поверхностного насыщения стали азотом. Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном легированные стали определенных составов и процесс имеет большую продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.

Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном давлении и температуре до С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости. Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность: 2NH3 = 2N + 6H 2N N2 6H 3H2. Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности.

Стали для азотирования. Все шире применяется азотирование аустенитных и нержавеющих теплостойких сталей. Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то же время обладает рядом ценных свойств: парамагнитностью, высокой жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой ударной вязкостью при температуре ниже 0 0С. Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости аустенитных нержавеющих сталей. В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей, содержащих титан. Эти стали азотируются быстрее, чем хромомолибденоаллюминиевая, и отличаются более высокой поверхностной твердостью и красностойкостью. Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при С в течение 20 ч приводит к превращению в поверхностном слое феррита в аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит. Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент из быстрорежущих сталей Р9 и Р18. Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого чугуна (в частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных чугунов, легированных алюминием).

Свойства азотированной легированной стали. Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и нитроцементованных сталей. Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей, работающих в некоторых коррозионных средах. Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла под нагрузкой и особенно при повышенных температурах. Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 0С) имеет аустенитная сталь. Однако при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.

В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали (в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего в состав образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых составов, например с малым содержанием никеля, это может сопровождаться даже выпадением в азотированном слое a- фазы, в результате чего поверхностный слой становится слегка магнитным. Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей воды и водяного пара.

Цианирование. Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом: 1 NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na2CO %, температура цианирования С, продолжительность процесса - 1ч. 2 цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl2 55%. Реакции идущие в ванне 1: 2NaCN + O2 = 2NaCNO 2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 2N + CO. реакции идущие в ванне 2: Ca(CN)2 = CaCN2 + C CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N 2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N. После цианирования непосредственно из ванны производится закалка.

Структура нитроцементованного и цианированного слоя. При цианировании при С в цианистых ваннах, содержащих цианплав, и при глубоком цианировании при С в низкопроцентных ваннах с цианистым натрием и хлористым барием сталь с поверхности насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при цементации, и лишь немного азотом. При цианировании в ванне 1 сталь насыщается углеродом несколько меньше, чем при цементации, а азотом в поверхностной зоне слоя больше, чем в других ваннах.

Низкотемпературная нитроцементация и цианирование. Низкотемпературной нитроцементации и цианированию при С подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры существования g-фазы в системе Fe - N. Поэтому в процессе обработки при такой температуре на стали образуется, по существу, азотированный слой, а углерод проникает на глубину лишь нескольких микрон, где может образовываться тонкая карбонитридная зона.

Свойства нитроцементованной и цианированной стали. Нитроцементованная и цианированная конструкционная сталь благодаря присутствию азота более износостойка, чем цементованная. Нитроцементация и цианирование существенно повышают предел выносливости, причем нитроцементация в большей степени, чем цианирование, а в ряде случаев в большей степени, чем цементация. При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода в слое. Поэтому в цианированном слое количество остаточного аустенита всегда больше, чем в нитроцементованном. В связи с этим сжимающие напряжения создаются в цианированном слое лишь на некотором расстоянии от поверхности, что приводит к снижению предела выносливости стали. Этим и объясняется меньшая долговечность цианированных деталей по сравнению с нитроцементованными. При цианировании необходимо производить наклеп деталей дробью, создающий на поверхности (вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит) высокие напряжения сжатия. Усталостные испытания зубьев цианированных зубчатых колес на изгиб с циклической нагрузкой показали, что наклеп дробью повышает предел выносливости с 43 до 72 кГ/мм2.

Испытания на стенде показали, что после наклепа дробью стойкость (до разрушения) цианированных зубчатых колес увеличилась с 9 до 140 ч. Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая на поверхности тонкий нетравящийся карбонитридный слой (что бывает не всегда), корродирует медленнее нецианированной стали. Например, в 3%-ном растворе поваренной соли стойкость такой стали против коррозии в 2 раза выше, чем нецианированной. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей после нитроцементации и цианирования снижается.

Борирование химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах °С. Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе2В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в раз) бурового и штампового инструментов.

Цинкование (Zn), алюминирование (Аl), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.

КОНЕЦ