Химическая обработка, цементация
Химико-термическая обработки стальных деталей. Диффузия углерода в феррите. Сталь для цементации. Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем. Высокотемпературная газовая цементация стали в шахтных, муфельных печах. Цементация в пастах с нагревом.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.05.2015 |
| Размер файла | 20,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА БИОМЕДЕЦИНЫ ДВФУ
КАФЕДРА КИБЕРНЕТИКИ И БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
РЕФЕРАТ
химическая обработка, цементация
Выполнил: Санин В.С.
Группа Б 7201
Руководитель: Гарасев И.В.
Владивосток 2015
Химико-термическая обработка стали
Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки-поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.
Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий:
Диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов
Диффундирующего элемента. Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;
Адсорбции, т.е. контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.
Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.
Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.
Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.
Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.
Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.
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.
деталь газовый цементация сталь
Цементация в твердой среде
Карбюризатором является активированный древесный уголь, а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активаторы - углекислый барий, кальцинированную соду, поташ в количестве 10-40% от массы угля.
Обычная рабочая смесь, применяется для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75% отработанного.
Подготовленные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой детали засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей.
Повышенная температура цементации до 950-1000с позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.
После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью HRC 60-63.
Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных из малоуглеродистого мартенсита.
Цементация пастами
Процесс заключается в нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя вещества в виде суспензии, обмазки или шликера, в сушке и последующим нагреве. Вид пасты определяет технологию ее нанесения. Паста сравнительно жидкой консистенции наносится на детали окунанием, а более густо-с помощью кисти. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше заданной глубины цемент ванного слоя. Основными компонентами паст являются сажа и кальцинированная сода, кокс малосернистый, сода или поташ.
Высушенные детали аккуратно, чтобы не повредить слой пасты, укладывают одна на другую в ящик и закрывают его крышкой. Ящик загружают в печь с температурой 950-1050с; чем выше температура нагрева, тем меньше длительность процесса. Кроме того, для нагрева деталей можно применять токи высокой и промышленной частоты.
По окончанию выдержки детали охлаждают в ящиках на воздухе. Можно осуществить также подсуживание до закалочной температуры и произвести закалку непосредственно с цементационного нагрева.
Газовая цементация. В настоящие время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечивать более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.
Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или без муфельных печах непрерывного печах непрерывного действия.
При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол.
В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.
Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цемент ванного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3-1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода 0,8%.
После газовой цементации применяют закалку непосредственно из цементационной печи предварительно сделав остужение до температуры 850-830с. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180с.
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, карбид образование 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 920-950 oС и выше, при которых сталь находится в аустенитном состоянии.
Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в аустените выражается уравнением:
Dc= (0, 07 + 0, 06 C %) e -32000/RT
Или по другим данным:
Dc= (0, 04 + 0, 08 C %) e -31350/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 не карбидообразующие 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 не карбидообразующем 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 цемент ванного 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 цемент ванного слоя.
Положительное влияние повышения содержания углерода в цемент ванной 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 цемент ванного 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 цемент ванного слоя.
Цементация в разных средах
· Цементация в твердом карбюризаторе.
· Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты (далее т. в. ч.).
· Цементация в пастах.
· Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.
· Газовая цементация.
· Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.
· Цементация с нагревом т. в. ч.
· Ионная цементация.
· Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.
· Цементация в жидкой среде.
· 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.
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 окалин стойкого сплава. Изредка применяют также печи с вращающимися ретортами. В последние годы начали получать все большее распространение без муфельные 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 5 - 10 мм между цементуемыми поверхностями; мелкие детали загружают навалом на этажерки, помещаемые в корзины.
Для газовой цементации используют различные карбюризаторы - газы: природный (92 - 97% СН4); природный разбавленный для городских нужд (60 - 90% СН4); светильный (20 - 35% СН4, 5 - 25% СО): нефтяной (50 - 60% СН4): коксовый (20 - 25% СН4, 4 - 10% СО); сжиженные: пропан, бутан, пропанобутановая 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 эндо газа, 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 900-1000 0С 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 цемент ванного стали
Оптимальное содержание углерода в поверхностной зоне цемент ванного 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 цемент ванный слой при несколько повышенном содержании в нем углерода (по некоторым данным до 1,2% С). При этом после термической обработки цемент ванный слой должен иметь структуру мелко игольчатого или скрытокристаллического мартенсита с мелкими глобулами 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 цемент ванный слой приобретает после закалки мартенситную структуру с минимальным количеством остаточного аустенита, в результате чего в слое возникают максимальные сжимающие напряжения.
Список литератур
А. Н. Минкевич. "Химико-термическая обработка металлов и сплавов" Издательство "Машиностроение" Москва, 1965 г.
Размещено на Allbest.ur
Подобные документы
Характеристика основных элементарных процессов (диссоциация, абсорбция, диффузия) химико-термической обработки стали. Рассмотрение процессов цементации (твердая, газовая), азотирования, цианирования, диффузионной металлизации поверхностных слоев стали.
лабораторная работа [18,2 K], добавлен 15.04.2010Применение поверхностной закалки с индукционным нагревом. Стадии химико-термической обработки стали. Технология цементации твердым карбюризатором, газовой цементации и азотирования. Термическая обработка после цементации и свойства цементованных деталей.
презентация [309,5 K], добавлен 29.09.2013Термическая обработка металлов и ее основные виды. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении. Основы химико-термической обработки. Цементация, азотирование, нитроцементация и цианирование, борирование и силицирование стали.
реферат [160,5 K], добавлен 17.12.2010Химико-термическая обработка как процесс нагрева и выдержки металлических материалов при высоких температурах в химически активных средах. Характеристика видов химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация и жидкое цианирование.
реферат [62,1 K], добавлен 17.11.2012Термическая обработка чугуна: понятие и виды. Микроструктура и свойства сталей после химико-термической обработки: цементация и азотирование. Зависимость твердости от содержания углерода по глубине цементованного слоя. Распределение азота по толщине слоя.
реферат [541,9 K], добавлен 26.06.2012Проектирование участка химико-термической обработки зубчатых колёс коробки передач с раздаточной коробкой. Выбор марки стали и разработка технологического процесса термообработки. Выбор печи для цементации и непосредственной закалки. Расчет оборудования.
курсовая работа [710,0 K], добавлен 08.06.2010Технология цементации изделий и режим их термической обработки, микроструктура цементованного слоя, его глубина. Назначение цементации и последующей термической обработки. Диссоциация. Абсорбция. Диффузия. Закалка. Предел выносливости изделий.
лабораторная работа [105,0 K], добавлен 05.01.2009Требования предъявляемые зубьям шестерен. Термическая обработка заготовок. Контроль качества цементованных деталей. Деформация зубчатых колес при термической обработке. Методы и средства контроля зубчатых колес. Поточная толкательная печь для цементации.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 10.01.2016Изучение преимуществ электроплавки по сравнению с другими способами сталеплавильного производства. Анализ дефектов, возникающих при цементации и закалке. Определение количества углерода, внесенного в металл в восстановительный период, углеродистого лома.
курсовая работа [125,2 K], добавлен 06.04.2015Рассмотрение сущности и параметров процесса цементации. Общая характеристика, применение легированных сталей. Литье по выплавляемым моделям и в оболочковые формы. Производственный процесс машиностроительства. Тепловые явления при резании металлов.
контрольная работа [1020,7 K], добавлен 16.10.2014
