А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто)




НазваниеА. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто)
страница1/3
Дата03.02.2016
Размер42,6 Kb.
ТипДокументы
  1   2   3


А. Ф. Белякова

Краткий курс лекций по химико-термической обработке (ХТО).


Оглавление


1. Введение

2. Классификация химико-термической обработки………………………………………….2


I. ХТО элементами, образующими твёрдые растворы внедрения с железом………………3

1. Цементация стали…………………………………………………………………………...3

1). Твёрдая цементация……………………………………………………………………….3

2). Газовая цементация………………………………………………………………………..4

3). Термическая обработка после цементации………………………………………………4

4). Цементация и нитроцементация в "кипящем" слое……………………………………..5

5). Вакуумная цементация в среде ацетилена.………………………………………………6

2. Азотирование стали………………………………………………………………………….7

1). Износостойкое азотирование……………………………………………………………..8

2). Антикоррозийное азотирование…………………………………………………………..9

3). Ионное азотирование………………………………………………………………………9

3. Цианирование (нитроцементация) стали………………………………………………… 10

4. Диффузионное борирование……………………………………………………………….11


II. ХТО элементами, образующими с железом и другими металлами твёрдые растворы замещения (диффузионная металлизация стальных деталей)………………………………12

1). Диффузионное алитирование стали……………………………………………………...12

2). Диффузионное хромирование стальных деталей……………………………………….14

3). Диффузионное силицирование стальных деталей………………………………………15

4). Диффузионное Сульфоцианирование (сульфидирование) стальных деталей………...16

5). Диффузионная бериллизация стальных деталей………………………………………...17

6). Диффузионное титанирование стальных деталей……………………………………….18

7). Диффузионное цинкование стальных изделий………………………………………….19


III. ХТО чугуна…………………………………………………………………………………20

1). Азотирование чугунных деталей…………………………………………………………20

2). Алитирование чугунных деталей…………………………………………………………20

3). Диффузионное хромирование чугунных деталей……………………………………….21

4). Диффузионное сульфидирование чугунных деталей ……………………………...21

5). Диффузионное силицирование чугунных деталей……………………………………...21


I\/. Химико-термическая обработка металлокерамических изделий………………………21

1). Зависимость механических свойств после цианирования от плотности железных изделий …………………………………………………………………………………………21

2). Защита от коррозии методом электрохимических покрытий………………………….22

3). Защита от коррозии пинингованием…………………………………………………….22


\/. Приложение.…………………………………………………………………………………

1). Карбооксидирование титановых сплавов контактным и бесконтактным способами..23


Заключение……………………………………………………………………………………..26


Список литературы…………………………………………………………………………….27


1. Введение.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхности деталей каким-либо химическим элементом посредством диффузии этого элемента из внешней специально созданной среды, в которую помещаются подвергаемые ХТО детали.

ХТО возможна, если насыщающий элемент образует с основным компонентом твёрдые растворы.

При ХТО происходят 3 элементарных процесса:

1). – Диссоциация, в результате которой насыщающий элемент получается в атомарном виде. Например: 2 NH3 → 2 Nат. + 3H2 2CO → Cат. + CO2 .

2). Адсорбция – поглощение поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

3). Диффузия – образование диффузионного слоя толщиной δ мм – за счёт поглощения насыщающего элемента в объёме детали.

Все 3 этапа ХТО пропорциональны температуре и времени, толщина диффузионного слоя пропорциональна также градиенту концентрации насыщающего элемента и коэффициенту диффузии:

Dm = - D dF dC/dχ dτ (первый закон Фика). D = A e-Q/RT ,

Где m – количество диффундирующего вещества, г; F - площадь поперечного сечения, мм2 ; C – концентрация, χ – глубина слоя; dC/dχ – градиент концентрации, г /мм; τ – время; R – универсальная газовая постоянная; Q – энергия активации, ккал/(г-атом); R = 8,3144, Дж/мольК.

Энергия активации при образовании твёрдых растворов внедрения ниже, чем при образовании твёрдых растворов замещения, поэтому и скорость процессов ХТО выше.[Q процессов образования твёрдых растворов внедрения углерода и азота в γ-Fe 31 – 32 ккал/(г-атом); Q образования твёрдых растворов замещения хрома, алюминия, никеля, титана и др. металлов в γ-Fe ≥ 60 ккал/(г-атом)].

Механизм диффузии при образовании твёрдых растворов внедрения – междоузельный (Рис. 1.), при образовании твёрдых растворов замещения – вакансионный (Рис 2.).

Рис. 1.




Схема элементарного акта диффузии по междоузельному механизму.

В соответствии с рис. 1 в точке C достигается максимальное значение энергии.Увеличение энергии Em при перемещении атома из одного междоузлия в соседнее вызвано появлением упругих напряжений, образующихся при «проскакивании» мигрирующего атома между атомами растворителя. Ea и Eb - средняя тепловая энергия атомов, Em - максимальная тепловая энергия (энергетический барьер).


Рис. 2



Схема элементарного акта диффузии по вакансионному механизму.


В соответствии с рис.2 при переходе из позиции а в положение в атом 1 должен «протиснуться» между атомами 2 и 3. В положении б атомы 2 и 3 «раздвинуты» и решётка обладает значительной упругой энергией. Поэтому промежуточному положению б соответствует более высокий уровень энергии, чем а и в.

Средняя тепловая энергия атомов Ea значительно меньше, чем Em . Энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера Em при переходе атома из одного положения в другое называют энергией активации (или теплотой диффузии) и обозначают Q. Чтобы проходила диффузия, требуется флуктуация энергии (Еф ). Отдельные атомы с энергией флуктуации Еф > Q могут преодолеть энергетический барьер и могут перескочить из одного положения равновесия в другое (рис.2).


2. Классификация химико-термической обработки и твёрдых растворов или фазовой перекристаллизации. (Рис 3).


Химико-термическая обработка

↓ ↓ ↓

→Диффузионное насыщение Диффузионное насыщение Многокомпонентное насыщение

неметаллами металлами металлами и неметаллами

↓ ↓ ↓ ↓

Однокомпонентное Многокомпонентное Однокомпонентное Многокомпонентное Насыщение бором

→ насыщение → насыщение → насыщение насыщение → совместно с металлами

металлами неметаллами металлами металлами (Cr, Mo, W, Ti)

↓ ↓

→ Цементация → Нитроцементация → Алитирование

↓ ↓

→ Азотирование → Цианирование → Хромирование

Насыщение алюминием Насыщение кремнием

→ совместно с другими → совместно с металлами

→ Борирование → Сульфоцианирование → Цинкование металлами (Cr, Ti. Zn, V) (Cr, Mo, W, Ti)

→ Карбохромирование

→ Боросилицирование → Титанирование → Насыщение хромом совместно

с другими металлами

(Al, Ti, Mn и др.)

→ Силицирование


→ Насыщение другим → Хромоазотирование

Металлами


В практике ХТО в промышленном масштабе применяют следующие виды химико-термической обработки металлов (стали, серого чугуна, цветных металлов и сплавов): цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию и различные способы диффузионной металлизации – хромирование, алитирование, силицирование , титанирование и др.)


I. ХТО элементами, образующими с железом и другими металлами твёрдые растворы внедрения.

1. Цементация стали.

Цементацией называется процесс диффузионного насыщения деталей углеродом. Цементация назначается деталям, работающим «на удар и на износ»: детали должны иметь «вязкую» сердцевину и твёрдый износостойкий поверхностный слой. Их изготовляют из малоуглеродистых сталей (0,1 – 0,25) % углерода. В отдельных случаях, для тяжелонагруженных деталей, применяются стали, содержащие 0,25 – 0,30 % углерода.

Марки цементуемых сталей: Ст1, Ст2, Ст3, 10, 15, 20, 25, 15Х, 18ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА и др.

В процессе цементации в поверхностном слое содержание углерода повышают до 0,8…1,2 %.

Цементацию стали в большинстве случаев выполняют при 930 – 950 ºC, то есть в аустенитной области, так как растворимость углерода в аустените велика.

В практике ХТО применяют, в основном, «твёрдую» и «газовую» цементацию. Однако существуют также методы «жидкой» цементации и цементация «с использованием паст».

Толщина цементованного слоя в зависимости от размеров детали равна 1,5 – 2,5 мм.

1). Твёрдая цементация

Технология твёрдой цементации: детали загружают в цементационные ящики, стальные или чугунные, в которые загружают карбюризатор. Детали располагают таким образом, чтобы они со всех сторон соприкасались с карбюризатором. Цементационный ящик накрывают крышкой и замазывают по краям крышки обмазкой. Это необходимо для того, чтобы уменьшить доступ воздуха.

Состав карбюризатора – древесный уголь, катализаторы BaCO3 , Na2CO3 (в сумме 20 – 30 %), CaCO3 – 3,5 %.

В карбюризаторе при температуре цементации происходят следующие реакции:

2C + O2 = 2CO; 2CO → Cат. + CO2

Катализаторы повышают парциальное давление CO: BaCO3 + C = BaO + 2CO; Na2 CO3 + C = Na2 O + CO. CaCO3 предотвращает спекание составляющих карбюризатора. Далее происходят процессы адсорбции атомарного углерода поверхностью стальной детали и диффузия атомарного углерода в глубь с образованием цементованного слоя необходимой толщины.

Обычно применяют 25 – 30 % «свежего» карбюризатора и остальные 70 – 75 % использованного.

На цементацию поступают детали после обработки резанием с припуском на шлифование, равным 0,05 – 0,10 мм. Участки поверхности, не подлежащие цементации, защищают электролитическим меднением с толщиной покрытия 0,02 – 0,05 мм, или обмазками. Состав обмазок: асбест, тальк, глина, песок, вода или глинозём, тальк и «жидкое стекло». [асбест – 3Mg(Fe)O.CaO.4SiO2; тальк – 3MgO.H2O.4SiO2; жидкое стекло - Na2SiO3, K2SiO3]. Продолжительность нагрева зависит от размеров цементационного ящика: 7 – 9 минут на сантиметр сечения минимального размера ящика. За получением заданной толщины цементованного слоя следят, используя «свидетели». Например, в ящике с размерами 150 * 150 мм требуется 5,5 – 6,5 ч выдержки для получения цементованного слоя δ = 0,7 – 0,9 мм, и 9 – 11 ч выдержки для получения слоя δ = 1,2 – 1,5мм, а размерами 250 * 250 мм – 7,5 – 8,5 и 11 – 14 ч, соответственно. После окончания выдержки цементационные ящики извлекают из печи и охлаждают на воздухе до 400 – 500 ºC и затем извлекают детали.

За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до половины переходного слоя (≈ 0,3 % C).

Необходимые свойства детали приобретают после термической обработки.

Достоинства «твёрдой» цементации – простота и доступность, недостатки – большая длительность процесса, так как приходится нагревать не только детали, но дополнительно цементационные ящики и карбюризатор, характеризующийся низкой теплопроводностью. Другой недостаток – невозможность закалки с цементационного нагрева.

2). Газовая цементация.

Газовая цементация осуществляется в среде предельных и непредельных углеводородов (CH4 – метан, C2H6 – этан, C3H8 – пропан, C4H10 – бутан) и CO – окиси углерода при 910 – 930 ºC.

Технология газовой цементации: изделия после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 – 0,1 мм, и с защищёнными от цементации участками деталей , не подлежащих науглероживанию, укладывают на поддоны и помещают в цементационные печи – шахтные, муфельные или безмуфельные печи непрерывного действия. Шахтные печи применяют для деталей весом 185 – 1100 кг, они имеют диаметр рабочего пространства 300 – 500 мм и высоту 600 – 1200 мм. В качестве науглероживающей среды в шахтных печах кроме газов, перечисленных выше, также используют керосин, синтин, спирты, которые впрыскивают в рабочее пространство печи.

В горизонтальных безмуфельных печах непрерывного действия весь цикл цементации и последующей термообработки механизирован и автоматизирован. Производительность печей 500 – 600 кг/ч.

Обычно используют эндотермическую атмосферу, которую получают сжиганием природного газа или других углеводородов при 1000 – 1200 ºC в специальных генераторах + 3 -5 % CH4 в присутствии катализатора и невысоком коэффициенте избытка воздуха:

CH4 + 0,5 (O2 + 3,8N2 ) → CO + 2H2 + 1,9N2

Состав эндогаза: 20 % CO, 40 % H2, 40 % N2.

Применение эндотермической атмосферы обеспечивает возможность автоматического регулирования углеродного потенциала – науглероживающей способности, обеспечивающей получение определённой заданной концентрации углерода на поверхности цементованного слоя.

Его устанавливают по точке росы – температуре, при которой начинается конденсация водяных паров, содержащихся в атмосфере печи. Точка росы регулируется именением коэффициента избытка воздуха, подаваемого в генератор.

CH4 + H2O ↔ CO + 3H2; CH4 + CO2 ↔ 2CO + 3H2 (при содержании до 5 % CH4). Существует однозначная зависимость между углеродным потенциалом и содержанием H2O и CO2 в атмосфере печи.

На протяжении первой 2/3 печи устанавливают углеродный потенциал на получение 1,2 – 1,3 % C, затем на последней 1/3 печи – 0,8 % C. Это даёт сокращение времени цементации.

Средняя скорость газовой цементации равна 0,12 – 0,15 мм/ч при толщине цементованного слоя 1,5 – 1,7 мм.

Достоинства газовой цементации: сокращение времени, так как нагреваются только детали, возможность снижения температуры цементации ≈ на 100 ºC и создания автоматических линий цементация – термообработка и др.


3). Термическая обработка после цементации.

Высокая твёрдость поверхностного слоя при сохранении «вязкой» сердцевины обеспечивается обязательной после цементации термообработкой, так как простое повышение содержания углерода в поверхностном слое не обеспечивает высокой твёрдости.

А. После твёрдой цементации: 1) для «ответственных деталей», то есть испытывающих большие напряжения или находящихся в сложнонапряжённом состоянии, испытывающих большие ударные нагрузки, в том числе при низких температурах и испытывающих знакопеременные или пульсирующие по величине нагрузки – первая полная закалка (или нормализация) от 880 – 930 ºC, цель которой измельчение зерна «сердцевины», выросшего в результате длительной выдержки деталей при высоких температурах цементации и частичное растворение цементитной (карбидной) сетки в заэвтектоидной зоне цементованного слоя; вторая – неполная закалка для заэвтектоидной и эвтектоидной зон от 750 – 780 ºC, отпуск (низкотемпературный или низкий) при 150 – 180 ºC. Если детали изготовлены из легированных сталей, то после неполной закалки можно назначить «обработку холодом», то есть продолжить закалку в жидкости с температурой Мк стали – с учётом содержания углерода и легирующих элементов в поверхностном слое. 2) для «неответственных деталей, то есть работающих в более лёгких условиях и изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей: неполная закалка и низкий отпуск.

Б. После газовой цементации: подстуживание до 840 – 850 ºC. Между закалкой и отпуском возможна обработка холодом, низкий отпуск.

В случае, когда цементация или закалка производятся с нагревом ТВЧ, температура повышается до 1080 – 1100 ºC (аустенитное зерно почти не растёт).

Достоинства газовой цементации – сокращение продолжительности всего процесса, возможность закалки с цементационного нагрева и создания автоматических линий – цементация - подстуживание – закалка – обработка холодом – отпуск; возможность контролирования содержания углерода в поверхностном слое посредством регулирования углеродного потенциала газовой среды.

В. Структура по сечению детали: 1) после медленного охлаждения от температуры цементации (твёрдая цементация) – перлит + цементит (карбид) вторичный; перлит; феррит + перлит с возрастающим количеством феррита и уменьшающимся количеством перлита до их содержания в основном металле, то есть в структуре «сердцевины». 2) после термообработки: мартенсит отпуска + цементит (карбид) вторичный; мартенсит отпуска с уменьшающимся содержанием углерода в нём от 0,8 до примерно 0,3 %; структура «сердцевины».

Структура «сердцевины» зависит от марки стали и её прокаливаемости: у углеродистых сталей – феррит + перлит; у низко- и среднелегированных (типа 15Х, 18ХГТ) – феррит в количестве меньшем, чем в исходной структуре, и сорбит или троостит в количестве большем, сравнительно с количеством перлита в исходной структуре; структура «сердцевины» высоколегированных цементуемых сталей (типа 12ХН3А, 18Х2Н4ВА) со сквозной прокаливаемостью – феррит + малоуглеродистый мартенсит отпуска – прочный, но не хрупкий.

Соответственно, цементуемые стали подразделяются на 3 группы: с неупрочняемой сердцевиной, со слабо упрочняемой и с упрочняемой сердцевиной

Свойства деталей после цементации и термообработки: высокая поверхностная твёрдость (62 – 64 HRC), следовательно, высокая износостойкость и контактная прочность деталей; в поверхностном слое создаются напряжения сжатия, так как удельный объём мартенсита больше удельного объёма ферритно-цементитной смеси, поэтому повышается усталостная прочность (предел выносливости) деталей.

За эффективную толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до половины переходного слоя (≈ 0,3 %C) – этот слой закаливается при термообработке углеродистых и низко- и среднелегированных сталей.

4). Цементация и нитроцементация в «кипящем слое»

Во ФГУП НИИАЭ (Москва) разработан метод цементации и нитроцементации в «кипящем слое». При проведении технологии ХТО в кипящем слое в качестве теплоносителя использовали алюмо-никель-магниевый сплав марки А ТУ 6-68-119-91 (в реторте) и ГИАП-10 ТУ 113ю03-2002-86 (в установке для очистки газа от серы), а также городской газ, аммиак и сжатый воздух.

Режим псевдоожижжения: Wkp = 0,23 м/с при 20 ºС и 0,135 м/с при 950 ºС; скорость витания wВ = 3,95 м/с при 20 ºC и 5,34 м/с при 950 ºC. Фрикционный состав частиц катализатора: массовая доля фракции диаметром 0,4 – 0,5 мм – 90% (не менее), 0,63 – 1,25 мм – 4 %. Насыпная плотность частиц 0,7 – 0,8 г/см3, плотность частиц 1,0 г/см3, средний диаметр частиц dср = 1 мм. Агент псевдоожижжения – сжатый воздух. Соотношение газ/воздух – ½,75.

Цементацию проводили при 950 ºC на деталях АТЭ, в частности. На шестернях и обоймах с направляющей втулкой в сборе привода стартеров из сталей 15ХР, 20ХН2М и др. Время выдержки с учётом времени нагрева составило 2 ч. Детали в контейнере после цементации перед закалкой в масле подстуживали до 850 – 860 ºC. В результате были получены слои толщиной hсл = 0,65 – 0,75 мм с твёрдостью 62 – 64 HRC.

По существующей технологии цементацию этих же деталей проводят в твёрдом карбюризаторе с охлаждением на воздухе и последующим нагревом под закалку в соляной ванне в течение 20 мин и закалкой в масле. Продолжительность цикла 2 ч 25 мин. В результате получают слои с hсл = 0,5 – 0,7 мм с твёрдостью 62 – 64 HRC. Преимущества технологии в кипящем слое очевидна.

5). Вакуумная цементация в среде ацетилена.

Н. М. Рыжов, А. Е. Смирнов, Р. С. Фахуртдинов. МГТУ им. Н. Э. Баумана. МиТОМ №9, 2004.

Аннотация.

Рассмотрены основные закономерности управления насыщенностью диффузионного слоя углеродом при вакуумной цементации теплостойкой стали Х3НВФМБ-ш (ВКС5) в среде ацетилена. Показано, что требуемые характеристики диффузионного слоя обеспечены изменением временного режима подачи в рабочую камеру ацетилена.

Вакуумная цементация (в. ц.) в среде ацетилена – новый способ науглероживания. В. Ц. проводят в режиме циклической подачи ацетилена, при котором стадии активного насыщения при подаче углеводорода чередуют со стадиями диффузионного рассасывания, идущими при выключенной подаче газовой среды.

Установлено, что в. ц. особенно эффективна при насыщении теплостойких сталей 16Х3НВФМБ-ш (ВКС5) и 20Х3МВФ-ш (ЭИ415), применяемых для высоконагруженных зубчатых колёс.

Преимущества в. ц.: уменьшаются продолжительность цементации, расход газовой среды; высока воспроизводимость результатов. Эти преимущества вызваны особенностью массопереноса углерода из газовой среды на насыщаемую поверхность и особенностью химического состава сталей, содержащих 6 % карбидообразующих элементов. Поверхность полностью и практически мгновенно заполняется атомами углерода. Их количество в первые минуты науглероживания оказывается достаточным для предельного насыщения твёрдого раствора и образования на поверхности стали сплошного слоя карбидов, который в дальнейшем служит источником поступления углерода в твёрдый раствор.

Формирование цементованного слоя происходит по механизму реакционной диффузии, путём частичного растворения карбидов на пассивной стадии цикла и их возобновления на активной стадии цикла.

Углеродный потенциал устанавливается и высоким, соответствующим содержанию углерода в карбидной фазе ≈ 7 %.

При образовании карбидов изменяются каталитические свойства насыщаемой поверхности. Поверхность карбидов не обладает каталитической активностью, поэтому не вызывает диссоциацию молекул ацетилена. Ацетилен перестаёт диссоциировать и поставлять углерод к той части поверхности, которая закрыта карбидной фазой. Молекулы C2H2 покидают вакуумную камеру не разложившись. Углерод поступает в количестве, необходимом для покрытия карбидной фазой.

Устанавливается режим саморегулирования, исключающий образование сажи. Подповерхностная карбидная зона должна быть хорошо развитой, содержать мелкие равномерно распределённые частицы карбидов, обеспечивать требуемую высокую (1,2- 1,4 % ) концентрацию углерода на поверхности и твёрдость 60 – 63 HRC. Толщина карбидной зоны диффузионного слоя 0,3 – 0,4 мм и более – для того, чтобы превышать δ припуска (≈ 0,2 мм), удаляемого при зубошлифовании, которым восстанавливают показатели точности зубчатого колеса после ХТО.

Химический состав стали 16Х3НВФЬБ-ш (ВКС5) – 0,18 % C; 2,9 % Cr; 1,3 % Ni; 0,68 % Si; 1,2 % W; 0,55 % Mo; 0,51 % V; 0,51 % Nb. Продолжительность цементации 90 – 475 мин, температура – 940, 960, 980 ºC, состав газовой среды: 80 % (об.) C2H2 + 20 % (об.) H2 .Давление в камере 5,3 Гпа (4 мм рт. Столба). Газовую среду в реакционную камеру подавали по циклическому режиму: τа = 2; 4; 5 мин и τп от 5 до 40 мин, что приводило к изменению соотношения времени стадий τа: τп и числа циклов.


Эффективную толщину слоя определяли на микроскопе NEOFOT – 21. Насыщенность слоя определяли по концентрационным кривым, полученным послойным анализом, выполненным спектральным методом на оптико-эмиссионном анализаторе фирмы OBLF SPEKTROMETRIE GMBH.

Микроструктура: карбидная зона; эффективный слой. Образование поверхностной зоны карбидов в процессе насыщения положительно влияет на этот процесс, ускоряя его и стабилизируя, переводя в режим саморегулирования. Однако, сохранение карбидной корки в конце процесса на готовой детали нежелательно. В связи с этим, циклические режимы необходимо проводить с увеличением пассивной стадии на последних циклах.

Для сопротивления заеданию, которому подвержены зубчатые передачи, работающие на высоких окружных скоростях и удельных нагрузках, требуется повышенная насыщенность цементованного слоя углеродом с большой долей частиц карбидной фазы на рабочей поверхности – циклические режимы с сокращённым временем пассивной стадии цикла и увеличенным числом циклов: hэффект. = 1,1 мм и насыщенной карбидной зоной – 18 циклов: 16 ц. 5/10 мин, 2ц. 5/25 мин.

Для сопротивления контактной усталости -- обеспечить протяжённую и хорошо развитую карбидную зону с мелкими и равномерно распределёнными частицами карбидов и плавным снижением твёрдости по толщине слоя: режимы с увеличенным временем пассивной стадией стадии цикла. Создаются условия для растворения образовавшихся на активных стадиях цикла карбидных частиц. В результате усиливается плотность диффузионного потока углерода в глубь металла, растёт толщина карбидной зоны, но с невысокой плотностью частиц карбидной фазы. Увеличение времени пассивной стадии способствует снижению доли поверхности, закрытой карбидной коркой и устранению пересыщения поверхности. Для таких режимов характерны меньшее число циклов: слой толщиной hэффект. = 1,1 мм и карбидной зоной с невысокой плотностью карбидных частиц может быть получен за 14 циклов: 10 ц. 5/10 мин., 2 ц. – 5/20 мин., 1 ц. – 5/25 и 1 ц. -5/50 мин.

Вакуумная цементация способна удовлетворить требованиям, предъявляемым к строению карбидной зоны теплостойкой стали для каждого из этих эксплуатационных свойств – сопротивления заеданию и сопротивления контактной усталости.


2. Азотирование стали.

Азотированием называется диффузионное насыщение поверхности деталей азотом.

В основном применяют газовое азотирование, используя смесь NH3 (25 – 60 %) + H2.

На диаграмме Fe – N (Рис. 4) присутствуют следующие фазы: α – азотистый феррит с


Рис. 4.




Диаграмма состояния Fe – N.

С максимальным содержанием азота при температуре эвтектоидного превращения 591 ºC 0,1 % и с минимальным содержанием ≈ 0,01 % при 20 ºC; γ – азотистый аустенит, претерпевающий эвтектоидное превращение по реакции γ ↔ α + γ|; γ| - химическое соединение Fe4N (5,9 % N) с областью гомогенности (5,7 – 6,1 % N); ε – химическое соединение Fe2-3 N с содержанием азота 8 – 11,2 %.

Назначение азотирования – повышение поверхностной твёрдости, износостойкости, контактной прочности, жаростойкости (до 450 – 500 ºC), коррозионной стойкости в речной и морской воде, в атмосфере и других слабо агрессивных средах, усталостной прочности (σ сж. В слое 600 – 675 Мпа, σ-1 ↑ на 30 – 40 % и ↑на 100 % при наличии острых надрезов и резких переходов в сечении).

В практике азотирования применяют два вида процесса: 1) износостойкое азотирование – для «нитраллоев» 2) – антикоррозийное азотирование – для любых сталей.

1). Износостойкое азотирование применяется для деталей из сталей типа 38ХМЮА, 38Х2МЮА, 38ХМФА и др, то есть для «нитраллоев». Это объясняется тем, что высокая твёрдость и высокая износостойкость достигается лишь при азотировании «улучшаемых» сталей, легированных хромом, молибденом, алюминием, ванадием: так как высокой твёрдостью характеризуются лишь нитриды хрома, молибдена, алюминия и ванадия. На железе получается азотированный слой с твёрдостью 300 – 350 HV. Другой особенностью износостойкого азотирования является то, что высокая твёрдость поверхностного слоя, равная 1000 – 1100 HV , и сопутствующие ей свойства обеспечиваются при низкой температуре азотирования (500 – 520 ºC), так как при более высокой температуре укрупняются нитриды и карбонитриды и снижается твёрдость.

До азотирования назначается «улучшение» -- полная закалка и высокий отпуск – на структуру сорбита отпуска с целью создания прочной и пластичной опоры для тонкого, твёрдого, но хрупкого азотированного слоя

Третья особенность является недостатком азотирования: благодаря низкой температуре скорость процесса мала, например, слой толщиной 0,2 – 0,4 мм получается за 30 – 60 часов.

К достоинствам азотирования относится то, что после азотирования термическая обработка не нужна, так как получается слой со всеми выше перечисленными свойствами, присущими износостойкому азотированию. На азотирование поступают детали, прошедшие механическую обработку, включая шлифование, с оставленным припуском на окончательное шлифование и доводку изделия после азотирования. Участки поверхности, не подлежащие азотированию, защищаются электролитическим лужением (или меднением) на толщину слоя 0,01 – 0,015 мм или жидким стеклом.

При температуре азотирования (ниже 591 ºC) образуются следующие фазы (структуры) – ε, γ, α; после охлаждения (в потоке NH3 до 200 ºC в печи, далее на воздухе) – ε + γ; γ; α + γ; α, где ε – (M,Fe)2-3 NC, γ’ – (M,Fe)4 NC, α – твёрдый раствор Cr, Mo, Al, V и др. элементов, кроме S в α – Fe, M – Cr, Mo, Al, V и др. легирующие элементы, нитриды Cr, Mo, Al, V.

Разработан способ сокращения длительности износостойкого азотирования – ступенчатое азотирование, заключающееся в том, что вначале азотируют при 500 – 520 ºC, затем при 550 – 570 ºC. В результате, продолжительность ХТО сокращается в 1,5 – 2 раза, а твёрдость практически не снижается.

2). Антикоррозийное азотирование производится при температурах выше эвтектоидной в течение короткого времени до получения слоя толщиной 0,03 – 0,05 мм и применяется для сталей любых марок.

При температуре азотирования выше 591 ºC образуются следующие фазы (структуры): ε, γ, γ, α, а после охлаждения до нормальной температуры – ε + γ; γ; (α + γ) – эвтектоид, содержащий 2,35 % N; α + γ; α. Присутствуют также нитриды Cr, Mo, Al, V.

Режущие свойства и твёрдость инструмента из быстрорежущей стали, не подвергающегося переточке по всем граням (свёрла, Развёртки, метчики, фрезы), можно повысить низкотемпературным азотированием при 550 – 560 ºC в течение 10 – 30 минут. Твёрдость азотированного слоя – 100 – 1100 HV и толщина слоя – 0 .03 – 0,05 мм (Ю. М. Лахтин).

3). Ионное азотирование. Осуществляется в разреженных газовых средах (500 – 1300 Па) NH3 или N. Детали являются катодом (подключаются к минусу), анодом служит контейнер (подключается к плюсу источника тока). Возникает тлеющий разряд – один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах, важной особенностью которого является то, что в аномальном режиме горения он занимает всю площадь катода, не пропуская неровностей. Тлеющий разряд происходит при низкой температуре катода и отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен Вольт) катодным падением. Ионы газа бомбардируют поверхность детали и нагревают её до температуры насыщения. Два процесса следуют один за другим: 1) очистка поверхности катодным распылением, 2) собственно диффузионное насыщение азотом. Температура ХТО 470 – 580 ºC, напряжение 400 – 1100 В, продолжительность процесса 1 – 24 часа.

Достоинства ионного азотирования: сокращается время, уменьшаются деформации, повышается экономичность ХТО, получается диффузионный слой регулируемого состава и строения.

4). Азотирование в жидких средах – «Тенифер-процесс». (Tenifer: tenux – твёрдый, nitrogenium – азот, ferrum – железо). Тенифер-процесс осуществляется при 570 ºC в расплаве солей: 85 % суммы (40 % KCNO + 60 % NaCN), 15 % Na2CO3 или 53 % карбамида (NH2CO) + 40 % Na2CO3 , через последний пропускают сухой воздух. В сталь диффундирует азот. Получают поверхностный слой следующего состава: 7 – 15 мкм (FeM)2-3 (NC), ниже – α + γ. Общая толщина слоя 0,15 – 0,5 мм. В результате повышается предел усталости, понижаются деформация и коробление деталей.


3. Цианирование (нитроцементация) сталей.

Это процесс совместного диффузионного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.

Применяют твёрдое, жидкостное и газовое азотирование.

1). Твёрдое цианирование осуществляется так же, как и твёрдая цементация, Различие в том, что в карбюризатор добавляют мочевину или другое вещество, содержащее азот.

Жидкостное цианирование производится в расплаве солей: 8 % NaCN, 82 % BaCl2 , 10 % NaCl, зеркало ванны покрывают графитом. Детали после извлечения из ванны охлаждают на воздухе, после чего обязательна термообработка. За 1,5 – 6 часов получают слой толщиной 0,5 – 2 мм.

2). Газовое цианирование, называемое нитроцементацией, выполняют в смеси газов NH3 и CH4 при 550 – 600 ºC, вместо износостойкого азотирования.

В зависимости от температуры, цианирование подразделяется на высокотемпературное, среднетемпературное и низкотемпературное.

A). Высокотемпературное цианирование (твёрдое и жидкостное) применяют для цементуемых малоуглеродистых сталей. Особенностью является то, что при высоких температурах – 930 – 950 ºC поверхность в большей степени насыщается углеродом, в меньшей азотом: 0,8 – 1,2 % C и 0,2 – 0,3 % N.

Свойства поверхностного слоя и детали в целом выше, чем после цементации, а процесс происходит быстрее.

Термическая обработка такая же, как после цементации: полная закалка или нормализация (для «ответственных» деталей или деталей с наследственным крупным зерном), неполная закалка и низкотемпературный отпуск.

B). Низкотемпературное азотирование – газовую нитроцементацию назначают улучшаемым азотируемым сталям (желательно «нитраллоям»), предварительно для деталей назначается «улучшение» - полная закалка и высокий отпуск, после данного вида ХТО термообработка не нужна, как и после азотирования. Поверхностный слой в большей степени насыщается азотом (1 %), а не углеродом (0,2 – 0,4 %).

Свойства поверхностного слоя после нитроцементации несколько ниже, чем после азотирования.

C). Среднетемпературное цианирование осуществляют при 820 – 860 ºC в расплавленных солях, содержащих 25 % NaCN и 75 % (NaCl + Na2CO3 ). Поверхностный слой толщиной 0,15 – 0,35 мм образуется за 30 – 90 минут и примерно в равной степени насыщается углеродом и азотом (0,7 % C 0,8 – 1,2 % N).

Термическая обработка после среднетемпературного цианирования: закалка из цианистой ванны, отпуск при 180 – 200 ºC, твёрдость поверхностного слоя 58 – 62 HRС . Применяется для мелких деталей.

Преимущества цианирования в сравнении с цементацией: сокращение продолжительности процесса, красивый «товарный» вид изделия, повышение коррозионной стойкости во влажной атмосфере, в речной и водопроводной воде, более высокие механические и эксплуатационные свойства поверхностного слоя – твёрдости, износостойкости, так как в мартенсите растворён не только углерод, но и азот, вместо карбидов присутствуют карбонитриды.

Преимущества нитроцементации в сравнении с азотированием – сокращение продолжительности ХТО.

3). В промышленности разрабатываются и применяются новые прогрессивные виды ХТО: например, нитроцементация в кипящем (ПОС) слое. Её выполняли для деталей магнето из сталей 08кп, 10кп, 15Л, 20 и др. Продолжительность процесса 1,5 ч. Получены слои толщиной 0,30 – 0,35 мм с твёрдостью 59 – 61 HRC . (По ТУ – hсл. = 0,2 – 0,25 мм, твёрдость 59 – 61 HRC).

По существующей технологии цианирования в жидких средах с использованием ядовитых расплавов цианистых солей этих же деталей АТЭ в указанном интервале температур и последующей закалке и низком отпуске получены слои толщиной 0,10 – 0,25 мм и твёрдостью 59 – 61 HRC.

Преимущества новой технологии очевидны: результаты анализа показали, что технологии ХТО в кипящем слое отвечают современным требованиям – они высокопроизводительны, экологически чисты и экономически выгодны (при цементации в ПОС экономия электроэнергии составила 50 кВт на каждый цикл и сокращение его продолжительности на 20 – 25 мин.).

На заводе ОАО «Завод им. А. М. Тарасова» (г. Самара) создан и внедрён специализированный термический участок, состоящий из двух комплексов с экологически чистой технологией и модернизированным оборудованием для реализации нитроцементации и цементации стальных деталей АТЭ в кипящем слое, отвечающий санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам.

4). Для инструментов некоторых видов применяют низкотемпературное цианирование, которое улучшает их режущие свойства. После закалки и отпуска инструмент дополнительно обрабатывается в жидких цианосодержащих солях при 520 – 580 ºC в течение непродолжительного времени. В результате на поверхности инструмента образуется слой, насыщенный C и N ( толщиной в несколько мкм), значительно повышающий его износоустойчивость (А. П. Гуляев).


4. Диффузионное борирование.

Диффузионным борированием называется насыщение поверхности стальных деталей бором с последующей закалкой – для повышения их твёрдости, износостойкости и жаростойкости (≈ до 950 ºC).

Бор, как углерод и азот образует с железом твёрдый раствор внедрения, механизм диффузии бора в железе междоузельный. Растворимость бора в α-Fe и γ-Fe < 0,15 %.

В промышленности применяют твёрдое, жидкое и газовое борирование.

A). При твёрдом борировании изделия укладывают в стальные ящики, засыпают со всех сторон порошком, содержащим бор (ферробор или карбид бора, измельчённых в шаровых мельницах до величины частиц 100 меш,) и нагревают в печи до 950 – 1050 ºC с выдержкой 5 – 10 ч.

B). Жидкое Борирование может быть двух видов – без электролиза и с электролизом.

При жидком без электролизном борировании изделия погружают в расплав нейтральной соли (BaCl2 и NaCl), к которым примешан содержащий бор порошок. Температура борирования 950 – 1000 ºC, время выдержки 1 – 3 ч.

Жидкое борирование идёт интенсивнее и скорость его выше твёрдого борирования.

Электролизное жидкое борирование осуществляется путём электролиза расплавленной буры, катодом при этом служат изделия. Такой метод борирования используют в нефтяной промышленности для упрочнения ряда деталей, в том числе внутренних поверхностей втулок грязевых нефтяных насосов, работающих в тяжёлых условиях абразивного износа.

Втулки из стали 45 диаметром 220 мм, длиной 600мм и весом ≈ 100 кг подвергают электролизному борированию при 950 ºC на глубину 0,15 – 0,25 мм. Одновременно обрабатывают несколько втулок. Катодом служит сама втулка, а анодом расположенный внутри неё графитовый стержень. Борированные втулки отличаются значительно большей стойкостью в эксплуатации, чем цементованные, закалённые с нагревом ТВЧ, азотированные или прошедшие гальваническое хромирование.

C). Газовое борирование производят: а) в газовой смеси 1ч. H2B6 + 25 H2; б) BCl3 + H2 ; при температурах: 800 -850, 1050, 1100 ºC в течение: 2 – 6; 5; 30ч; с получением слоёв толщиной: 0,10 – 0,20; 0,035; 0,20 мм на деталях из стали 30ХГСА.

Изделия до борирования подвергают окончательной механической обработке, выполняя после ХТО лишь шлифовку и доводку. Метод местной защиты от борирования – гальваническое меднение с осаждением слоя меди толщиной 0,015 мм.

Другие виды борирования: борирование в порошковой смеси – 50 % ферробора или B4C, 49 % Al2O3, 1 % NH4Cl на деталях из стали 30ХГСА при 900 ºC, за 20 ч получают слой толщиной 0,15 мм, а при 1000 ºC, за 10 ч -- 0,20 мм.;

D). Борирование с применением обмазки и с нагревом ТВЧ. Состав обмазки: B4C c связующим гидролизованным этилсиликатом. При температурах 1150 – 1200 º за 2 – 3 мин на деталях из стали 45 были получены слои толщиной 0,06 – 0,12 мм.

После борирования назначается закалка, лучше с нагревом ТВЧ – (в слое не образуются трещины), так как наличие под тонким твёрдым слоем (0,2 – 0,15 мм) мягкой «сердцевины» может вызвать продавливание и выкрошивание борированного слоя.

Борированный слой низко- и среднелегированной стали состоит из боридов FeBη- фаза (16,23 % B) – поверхностная зона слоя; Fe2Bε – фаза (8,83 % B) – зона слоя, примыкающая к сердцевине .Чередование структур: ε + η; α + ε.

Глубина борированного слоя аустенитных хромоникелевых сталей ≤ 0,02 – 0,06 мм. Помимо высокой твёрдости борированный слой на этой стали обладает хорошей коррозионной стойкостью в агрессивных средах.

Твёрдость борированного слоя до 2000 HV (микротвёрдость) и до 1400 HV10 , хрупкость высокая. Микроструктура стали 30ХГСА после электролизного борирования при 950 º в течение 1ч 15 мин и последующей закалки: FeB, Fe2B, мартенсит (от поверхности к сердцевине).

Борирование повышает поверхностную твёрдость, абразивную износостойкость, теплостойкость, коррозионную стойкость. Усталостная прочность понижается, Но при правильном подборе детали для борирования и условий эксплуатации (отсутствие острых углов, работа в абразивной среде) применение данного вида ХТО может оказаться весьма рациональным.

Возможность насыщения поверхности металла бором впервые была доказана на малоуглеродистой стали русским учёным Н. П. Чижевским в 1915 г.

  1   2   3

Похожие:

А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconПрограмма учебной дисциплины «Теория и технология термической и химико-термической обработки»
Дисциплина "Теория и технология термической и химико-термической обработки" изучается студентами направления 1500100. 62. очной формы...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconРабочая программа учебной дисциплины «Теория и технология термической и химико-термической обработки»
Дисциплина "Теория и технология термической и химико-термической обработки" изучается студентами специальности 150100. 62. очной...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconКраткий курс лекций по Отечественной истории с древности до начала XXI века
Аксенов В. Б. Краткий курс лекций по отечественной истории с древности до начала XXI века. Часть От складывания древнерусского суперэтноса...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconПрограмма учебной дисциплины «Основы лазерной обработки»
Теория и технология термической и химико-термической обработки", "Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconВопросы вступительных экзаменов в докторантуру PhD по специальности «Материаловедение и технология новых материалов»
Закономерности образования твердых растворов, механических смесей и химических соединений. Диаграмма состояния – основа выбора легирующих...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconУчебное пособие для студентов 1 курса краткий курс лекций по дисциплине «Биология»
Химический состав клетки. Роль органических веществ в ее строении и жизнедеятельности
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconП ромышленность. Прикладные науки. Материаловедение №3
...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconЛабораторная работа № Азотирование стали. 2ч
Химико-термической обработкой называется диффузионное насыщение поверхности деталей каким-либо элементом из специально созданной...
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconКурс лекций по общему языкознанию с
Курс лекций по общему языкознанию. Научное пособие. К.: Освита Украины, 2006. 312 с
А. Ф. Белякова Краткий курс лекций по химико-термической обработке (хто) iconКраткий курс лекций по дисциплине финансовая математика
Слово "процент " (от лат pro centum на сотню) имеет два наиболее употребительных значения. Первое математическое означает сотую долю...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница