Химико-термическая обработка стали.
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали. Кстати, Компания "ТехноИнжениринг" приглашает к взаимовыгодному сотрудничеству всех желающих для плодотворной и высокоинтеллектуальной деятельности. Мы всегда честны, открыты и готовы для деловых переговоров. Занимается предприятие и химической обработкой стали в том числе.
Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.
В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,
Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.
В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.
Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.
Например,
Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.
Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.
Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.
Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.
Основными разновидностями химико-термической обработки являются:
цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).
Назначение и технология видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации.
Цементация.
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.
Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).
Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).
Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.
На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).
Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.
Цементация в твердом карбюризаторе.
Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 oС.
За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:
Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.
Недостатками данного способа являются:
значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);
низкая производительность процесса;
громоздкое оборудование;
сложность автоматизации процесса.
Способ применяется в мелкосерийном производстве.
Газовая цементация.
Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.
Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.
Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.
Преимущества способа:
возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);
сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
возможность полной механизации и автоматизации процесса.
Способ применяется в серийном и массовом производстве.
Структура цементованного слоя.
На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.
Термическая обработка после цементации.
В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.
Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия
Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850oС. При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.
При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку).
Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 15.2 в).
Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900oС для исправления структуры сердцевины.
Вторая закалка проводится с температуры 760…780oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.
Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.
Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.
Азотирование.
Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.
Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.
При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.
При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.
Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.
Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.
В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:
для повышения поверхностной твердости и износостойкости;
для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).
В первом случае процесс проводят при температуре 500…560oС в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.
Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.
Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe3N, имеющий гексагональную решетку).
Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).
После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.
Цианирование и нитроцементация.
Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.
Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:
Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.
Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.
Продолжительности процесса 0,5…2 часа.
Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.
По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.
Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом
Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.
Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.
Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.
Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.
Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.
На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.
Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.
Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.
Диффузионная металлизвция.
Диффузионная металлизвция – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.
При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.
Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.
При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL2 образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.
Жидкая диффузионная метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).
Газовая диффузионная метализация проводится вгазовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.
Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.
Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200oС) в течение длительного времени.
Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.
Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.
