Химико-термическая обработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общая характеристика процессов химико-термической обработки

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

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

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

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

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

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

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

2. Классификация процессов ХТО

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

2.1 Цементация

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

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

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

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

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

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

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

К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся:

ь большая трудоемкость процесса;

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

ь трудность регулирования содержания углерода в слое;

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

ь невозможность регулирования степени насыщения;

ь невозможность проведения закалки непосредственно после цементации;

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

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

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

Основные достоинства жидкостной цементации в соляных ваннах:

ь равномерность нагрева;

ь возможность непосредственной закалки из цементационной ванны;

ь небольшие деформации обрабатываемых деталей.

ь сравнительно небольшая длительность процесса

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

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

ь неравномерность глубины цементованного слоя;

ь необходимость частых регенераций углеродо насыщенного расплава (через каждые 3 часа ванну следует освежать, добавляя SiCиСО3, а одни раз в месяц - полностью менять).

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

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

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

ь позволяет производить закалку изделий непосредственно после цементации;

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

ь отсутствие громоздкого оборудования и угольной пыли.

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

2.2 Азотирование

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

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

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

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

Процесс азотирования имеет также и некоторые технологические преимущества перед цементацией:

ь после азотирования не требуется закалка,

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

ь коробление деталей при азотировании получается меньшим.

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

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

2.3 Нитроцементация и жидкостное цианирование сталей

Нитроцементация и жидкостное цианирование стали -- процессы химико-термической обработки, заключающиеся в высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Причем процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах, состоящих из науглероживающего газа и аммиака,-- нитроцементацией. [13]

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

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

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

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

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

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

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

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

ь безопасность процесса благодаря отсутствию ядовитых цианистых солей;

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

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

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

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

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

ь меньшая продолжительность процесса;

ь меньшее выделение сажи;

ь большая износостойкость деталей;

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

Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонных к короблению.

Размещено на Allbest.ru