Конструкциялық материалдар және термоөңдеу Конструкционные материалы и термообработка Constructional materials and heat treatment Учебное пособие для специальности: 5В071200– «Машиностроение»
жүктеу/скачать 1,99 Mb. Pdf көрінісі
|
montaev s h
| Лекция №8.
Химико-термическая обработка. 1.Процессы происходящие при химико-термической обработке. 2.Цементация стали. 3.Азотирование стали. 4.Цианирование. 5.Диффузионная металлизация. Процессы происходящие при химико-термической обработке. Химико-термической обработкой называется тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы. Любой вид химико-термической обработки состоит из следующих процессов: - диссоциация- распад молекул и образование активных атомов насыщенного элемента, протекает во внешней среде. - адсорбция- поглощение (растворение) поверхностью металла свободных атомов, происходит на границе газ-металл. - диффузия – перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности вглубь металла. Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения, иначе процессы адсорбции и диффузии невозможны. Результаты химико-термической обработки определяются толщиной диффузионного слоя и концентрацией насыщающего элемента в поверхностных слоях. Основными технологическими факторами, влияющими на эти характеристики, являются состав насыщающей среды, температура и время выдержки. Состав среды и температура определяют скорость диссоциации и образования насыщающего элемента в атомарном состоянии. Изменение толщины слоя в зависимости от времени происходит по параболическому закону: у=К√τ где τ- длительность процесса. Наиболее интенсивно глубина слоя возрастает в начале процесса. Контроль результатов химико-термической обработки производят измерением твердости, что косвенно может свидетельствовать о 131 степени насыщения. Глубину слоя можно определять по виду излома специальных образцов, проходящих обработку совместно с деталями. Цементация стали. Цементация- это процесс насыщения поверхности детали углеродом, проводимый с целью повышения твердости, износостойкости и предела выносливости при переменных нагрузках. Повышение перечисленных характеристик достигается, однако, только в том случае, если цементация сопровождается термической обработкой, заключающейся в закалке и низком отпуске. Обычно для цементации берут малоуглеродистую сталь с содержанием углерода до 0,2%., в этом случае твердость ненауглероженных внутренних слоев изделия после закалки не изменяется и остается равной примерно НВ 160-170, в то время как твердость поверхности изделия повышается до НВ 600. Если от изделия требуются повышенные прочностные свойства в сердцевине, можно применять стали с большим содержанием углерода (до 0,3), однако вязкость при этом окажется несколько сниженной. Обычно толщина цементированного слоя не превышает 1-1,5 мм, а концентрация углерода в нем – 0,8-1%. В зависимости от состояния насыщающей среды (карбюризатора) различают цементацию твердым карбюризатором , жидким карбюризатором и газовую. При цементации твердым карбюризатором изделия укладывают в металлические ящики и засыпают карбюризатором, состоящим из древесного угля и карбонатов, которые добавляют в количестве от 10 до 40% от массы угля. Ящик герметизируют, обмазывая его крышку огнеупорной глиной и помещают в печь. Цементацию производят при температурах 900-950ºС., продолжительность цементации в зависимости от размеров ящика изменяется от 10 до 20 часов. Карбонаты играют важную роль в процессы цементации, являясь дополнительным источником окиси углерода и тем самым значительно активируя процесс. При нагреве в цементационном ящике протекают следующие процессы: ВаСО3+С-ВаО+2СО где С-древесный уголь из карбюризатора., 2СО-СО2+Сат где Сат-атомарный углерод, образовавшийся в результате диссоциации угарного газа Fе+Сат-Fе(С) Эта реакция приводит к повышению концентрации углерода в аустените. При термической обработке детали сначала охлаждаются на воздухе (нормализуются), а затем закаливаются с температур 760-780ºС. 132 После закалки цементованные детали подвергают низкому отпуску при температурах 160-180ºС. При цементации в жидком карбюризаторе используются жидкие соляные ванны, в состав которых входят поваренная соль, углекислый натрий, цианистый натрий и хлористый барий. Газовую цементацию широко применяют при массовом производстве цементованных деталей. В качестве карбюризатора применяют предельные и непредельные газообразные углеводороды или окись углерода, которые при нагреве диссоциируют с выделением атомарного углерода. Газовая цементация производится в герметически закрытых печах, имеющих специальные устройства для подачи газа и его перемешивания. Закалка часто производится прямо из цементационной печи при небольшом подстуживании до 840-860ºС. Применение газовой цементации позволяет более чем вдвое сократить продолжительность процесса цементации, так как в этом случае отпадает необходимость в прогреве цементационных ящиков. Азотирование стали. Азотирование производят для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости сталей., при этом также повышается коррозионная стойкость в атмосфере и водопроводной воде. Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере аммиака при температуре 500-600ºС. Аммиак при нагреве разлагается на азот и водород. Азотированный слой на поверхности состоит из механической смеси твердых растворов на основе двух нитридов железа. Под этим слоем располагается азотистый феррит. Поскольку нитриды и их твердые растворы обладают высокой твердостью, высокая твердость азотированного слоя получается непосредственно после азотирования без какой-либо дополнительной термической обработки. Твердость азотированного слоя сильно зависит от дисперсности кристаллов твердых растворов (нитридов) и тем выше, чем дисперснее эти кристаллы. При введении легирующих элементов образуются нитриды этих элементов, не склонные к коагуляции и сохраняющие дисперсность при нагреве до 600-650ºС. Особенно эффективно повышают твердость азотированного слоя алюминий, хром, молибден, которые образуют термически стойкие нитриды, не склонные к коагуляции. При одновременном присутствии этих элементов в стали твердость азотированного слоя может достигать НV 1200. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали , например 38ХМЮА. Различают азотирование с целью повышения твердости, износостойкости и усталостной прочности (прочностное 133 азотирование) и азотирование для повышения коррозионной стойкости во влажной атмосфере и пресной воде (антикоррозионное). При прочностном азотировании применяют легированные стали и азотирование осуществляют при сравнительно низких температурах: 500-520ºС. Антикоррозионное азотирование производят при более высоких температурах (600-700ºС). Если, кроме высокой коррозионной стойкости, к азотированному слою не предъявляют другие требования, то можно азотировать не только легированные стали, но и углеродистые. Износостойкость азотированной стали выше, чем закаленной или цементованной. Перед азотированием производят термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, для повышения прочности сердцевины детали и предотвращения продавливания тонкого азотированного слоя при больших удельных нагрузках. Цианирование. Цианирование (нитроцементация)- это процесс совместного насыщения поверхности стальных изделий азотом и углеродом. Основной целью цианирования является повышение твердости и износостойкости деталей. Цианирование может производиться: -в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NаСН или цианистый калий КСН, либо -в газовой среде (нитроцементация), состоящей из эндотермического газа с добавлением природного газа и аммиака. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования. С повышением температуры содержание азота в слое уменьшается, а углерода увеличивается. В зависимости от температуры процесса различают: -высокотемпературное цианирование. Проводится при 850-950ºС. После цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Применяют для деталей из низко- и среднеуглеродистых, а также легированных сталей., -низкотемпературное цианирование. Температура цианирования 530- 560ºС. Поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Применяют для деталей из среднеуглеродистых сталей и инструмента из быстрорежущей стали. Преимущества цианирования по сравнению с цементацией: -более высокая твердость и износостойкость цианированного слоя., -более высокое сопротивление коррозии., -меньше деформация и коробление деталей сложной формы., 134 -выше производительность. Недостатки цианирования по сравнению с цементацией: -высокая стоимость., -высокая токсичность цианистых солей. Диффузионная металлизация. Диффузионная металлизация- это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами (алюминием, хромом, кремнием, бором). После диффузионной металлизации детали приобретают ряд ценных свойств, например, жаростойкость, окалиностойкость и др. Диффузионная металлизация может проводиться: -в твердой среде., металлизатором является ферросплав (феррохром, ферросилиций и т.д.) с добавлением хлористого аммония., -в расплавленном металле с низкой температурой плавления (цинк, алюминий), которую проводят погружением детали в расплав., -в газовой среде, содержащей хлориды различных металлов. При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом, которые при 1000-1100ºС вступают в обменную реакцию с железом с образованием активного диффундирующего атома металла. Алитирование- это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием. Проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии. Толщина алитированного слоя составляет 0,2-1мм., концентрация алюминия в нем до 30%. Алитирование применяют для повышения коррозионной стойкости и жаростойкости деталей из углеродистых сталей, работающих при высокой температуре. Хромирование- это процесс диффузионного насыщения поверхности хромом. Толщина слоя составляет 0,2мм. Хромирование используют для изделий из сталей любых марок. При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800ºС, окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах (морская вода, кислоты). Силицирование- это процесс диффузионного насыщения поверхности кремнием. Толщина слоя составляет 0,3-1мм. Силицирование обеспечивает наряду с повышенной износостойкостью высокую коррозионную стойкость стальных изделий в кислотах и морской воде. Применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности. Борирование- это процесс диффузионного насыщения поверхности бором. Толщина борированного слоя достигает 0,4мм. Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. |