Процесс цианирования сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Вопрос №1

цианирование сталь термомеханический обработка

Описать сущность и назначение процесса цианирования сталей; указать составы сталей, подвергаемых цианированию.

Привести химические реакции, протекающие в процессе низкотемпературного и высокотемпературного цианирования. Перечислить относительные достоинства и недостатки процесса цианирования. Описать структуру и свойства поверхностного слоя и сердцевины цианированных изделий и области применения процесса цианирования. Указать достоинства и недостатки цианирования.

Ответ

Цианирование - процесс упрочнения стальных деталей путем диффузии в поверхностный слой углерода и азота.

В зависимости от используемой среды различают цианирование:

1) в твердых средах;

2) в жидких средах;

3) в газовых средах.

В зависимости от температуры нагрева цианирование подразделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

Цианирование в жидких средах производят в ваннах с расплавленными солями. Во время нагрева в результате окисления и диссоциации цианистых солей [NaCN, KCN, Ca (CN) и др.] образуются активный азот и углерод, которые диффундируют в обрабатываемую деталь.

Цианистый натрий в расплаве солей окисляется кислородом воздуха с протеканием реакций:

2NaCN + О2 2>NaCNO; (1)

2NaCNO + О2 > Na2C3 + CO + 2N; (2)

2CO > CО2 + С (3).

Цианирование применяется для изделий из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, и используют для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости при изгибе и контактной выносливости.

При низкотемпературном цианировании температура нагрева допускается в пределах 500-550° С. При этой температуре в поверхностный слой детали активнее диффундирует азот, чем углерод. Такому процессу в большинстве случаев подвергают детали из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном цианировании температура нагрева допускается в пределах 900-950° С. При этой температуре в поверхностный слой детали активнее диффундирует углерод, чем азот. Такому процессу подвергают детали из углеродистой и легированной сталей с низким и средним содержанием углерода.

Детали, прошедшие высокотемпературное цианирование, обязательно подвергают термической обработке: закалке при температуре нагрева 760-780° С с охлаждением в воде или масле, промывке и низкому отпуску при температуре 150-170° С.

Микроструктура цианированного поверхностного слоя следующая: на поверхности - азотированный мартенсит, в переходной зоне - мартенсит и троостит, в сердцевине - троостит. Твердость поверхностного слоя HRC 63-65.

Цианирование в газовых средах (нитроцементация) производится в смеси цементирующего газа и аммиака (70% цементирующего газа и 30% аммиака).

Газовое цианирование производится в специально герметически закрытых печах с жаропрочными муфелями и специальными устройствами для подачи газа и аммиака.

Низкотемпературное газовое цианирование производится при температуре 550-570° С; время выдержки 1,5-3 ч; глубина цианированного слоя 0,02-0,04 мм; HV 900-1200.

Цианирование в газовых средах применяется в основном для режущих и измерительных инструментов из быстрорежущей стали. Стойкость их после такой обработки увеличивается в 1,5-2 раза.

Высокотемпературное газовое цианирование применяют для деталей, изготовленных из углеродистых и низколегированных сталей. Температура при цианировании 830-950° С; выдержка от 0,5-до 3 ч.

Детали, прошедшие высокотемпературное газовое цианирование, подвергают закалке и обработке холодом.

Среди главных достоинств цианирования - относительно небольшая длительность процесса химико-термической обработки, малые деформации и коробления детали в ходе процесса насыщения, малые потери тепла.

Главным же недостатком процесса цианирования является высокая токсичность применяемых расплавов и, следовательно, существуют экологические проблемы. Отсюда следует необходимость строительства изолированных помещений, установка в них систем вентиляции и очистки воздуха.

Вопрос №2

Описать назначение, схему осуществления и условия проведения низкотемпературной термомеханической обработки сталей, закаливаемых на мартенсит.

Охарактеризовать структурные изменения, происходящие в сталях в процессе НТМО. Объяснить механизм влияния НТМО на механические свойства сталей. Указать области применения, достоинства и недостатки НТМО сталей.

Ответ

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) заключается в интенсивной пластической деформации стали в температурном интервале устойчивого аустенитного состояния. Процесс состоит в нагреве до 900-1000 С, быстром охлаждении до 450-550 °С, многократном пластическом деформировании при этой температуре с большой степенью деформации (до 90%), закалке на мартенсит и отпуске при 250-400 С.

Низкотемпературной термомеханической обработке поддаются стали примерно следующего состава: 0.4-0,6% С; 1-1,5% Ni; 0,7-1,5% Мл; 1-1,5% Si; 1-3% Сг и 0.5-1,5% Мо, обладающие указанным интервалом устойчивого состояния аустенита. НТМО вызывает значительное увеличение прочности (предел прочности при растяжении 3200 - 3500 МПа, предел текучести 2800-3000 МПа при удлинении 8 - 12%). Это примерно в 2 раза выше показателей прочности лучших современных легированных сталей. НТМО резко повышает сопротивление усталости.

Обязательной предпосылкой получения сверхпрочных сталей является повышенное качество исходного материала. Стали плавят в электропечах под вакуумом и подвергают многократному электрошлаковому или электронно-лучевому переплаву. Разливку стали также производят под вакуумом.

Увеличение прочности при НТМО обусловливается главным образом высокой степенью нарушения кристаллической структуры в результате полупластической деформации, сопровождающейся измельчением кристаллических блоков (в 4-5 раз по сравнению с размерами блоков при обычной термообработке). После НТМО детали нельзя подвергать действию высоких температур, так как при нагреве сталь теряет приобретенную прочность. Это исключает возможность сварки деталей, подвергнутых НТМО.

Процесс применим для проката и деталей простой формы. Обработка деталей сложной конфигурации не дает полноценных результатов из-за невозможности обеспечить одинаковую степень деформации и однородные свойства металла во всей детали. Другим недостатком является увеличение усилий, необходимых для деформирования материала в полупластическом состоянии.

Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость выше в 1,5…2 раза по сравнению с ударной вязкостью для той же стали после закалки с низким отпуском.

При низкотемпературной термомеханической обработке (аусформинге) сталь нагревают до аустенитного состояния. Затем выдерживают при высокой температуре, производят охлаждение до температуры, выше температуры начала мартенситного превращения (400…600oС), но ниже температуры рекристаллизации, и при этой температуре осуществляют обработку давлением и закалку (смотри рисунок).

Низкотемпературная термомеханическая обработка, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95%), поэтому требуется мощное оборудование.

Низкотемпературную термомеханическую обработку применяют к среднеуглеродистым легированным сталям, закаливаемым на мартенсит, которые имеют вторичную стабильность аустенита.

Повышение прочности при термомеханической обработке объясняют тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен (блоков). Размеры блоков уменьшаются в два - четыре раза по сравнению с обычной закалкой. Также увеличивается плотность дислокаций. При последующей закалке такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, снижаются напряжения.

Механические свойства после НТМО для машиностроительных сталей в среднем имеют следующие характеристики:

ув = 2400-2900 Мпа

ут = 2000-2400 Мпа

д = 5-8%, ш = 15-30%

Использованные информационные ресурсы

1. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. - Металлургия, 1986.

2. И.И. Новиков Теория термической обработки металлов. Учебник для вузов. - Металлургия, 1986.

3. Информационные ресурсы Интернет.

Размещено на Allbest.ru