Химико-термическая обработка металлов

Содержание:

 

1. Химико-термическая обработка металлов. Этапы обработки.
2. Классификация процессов химико-термической обработки металлов.

• Однокомпонентные:

• Цементация;
• Азотирование;
• Диффузионная металлизация:
• Алитирование;
• Хромирование;
• Силицирование;
• Борирование.

3. Список используемой литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химико-термическая  обработка металлов. Этапы обработки.

 

Химико-термическая обработка (ХТО) представляет собой процесс, сочетающий химическое и тепловое воздействие  с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий. Изменение химического состава достигается за счет диффузии в поверхностный слой различных компонентов, которая протекает более интенсивно при высоких температурах.  Для этого стальные изделия нагревают в активной среде, которая содержит диффундирующий(насыщающий) компонент. Среда может быть твердой, газовой и жидкой.[2]

 

Любой вид ХТО 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.[1]

 

Диссоциация и адсорбция протекают значительно быстрее, чем диффузия. Скорость диффузии и толщина слоя возрастают с повышением температуры и длительности процесса ХТО.[2]. Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения, иначе процессы адсорбции и диффузии невозможны.[1]. Диффузия атомов насыщающих компонентов, образующих с железом твердые растворы внедрения (углерод, азот) протекает значительно быстрее, чем атомов компонентов, образующих твердые растворы замещения (хром, алюминий, кремний).[2]. Глубина проникновения диффундирующих атомов (толщина диффузионного слоя) зависит от состава стали, температуры и продолжительности насыщения.[1]. При диффузионном насыщении в поверхностном слое возникают, как правило, значительные остаточные напряжения сжатия, что повышает предел выносливости изделий.[2]

 

В результате ХТО достигается повышение  твердости и износостойкости, предела  выносливости и устойчивости против коррозии.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация процессов ХТО металлов.

 

Однокомпонентные:

 

Цементация.

 

Цементация – это процесс  диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цель – получение твердой и износостойкой поверхности в сочетании с вязкой сердцевиной. Для этого поверхностный слой обогащают углеродом до концентрации 0,8 – 1,0 % и проводят закалку с низким отпуском. Цементацию проводят при температурах 920 – 950С, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1 – 0,3 % С), поэтому сердцевина стального изделия сохраняет вязкость. Толщина (глубина) цементированного слоя составляет 0,5 – 2,5 мм.[1]

 

Выделяют два способа цементации – твердую и газовую. Их название определяется первоначальным агрегатным состоянием используемых углеродосодержащих активных сред, которые называют карбюризаторами.[2]

 

Твердая цементация осуществляется в карбюризаторе, содержащем активный древесный уголь (70%), порошки BaCO3 (25%) и CаCO3 (5%). Детали укладывают рядами в стальные или чугунные ящики (контейнеры). Дно ящика и каждый ряд деталей засыпают слоем карбюризатора. Ящик закрывают крышкой, кромки которой для обеспечения герметичности замазывают огнеупорной глиной, и помещают в печь. Углерод древесного угля взаимодействует с кислородом воздуха и углекислым барием:

 

ВаСО3 + С = ВаО + 2СО

 

Образуя газ СО, который диссоциирует по реакции:

 

2СО → СО2 + Сат

 

Образующийся атомарный углерод  адсорбируется на поверхности стальных деталей и диффундирует вглубь, растворяясь  в аустените.

 

Недостатки твердой цементации:

• Невозможность регулирования степени насыщения поверхности деталей углеродом;
• Повышенные энергетические затраты, связанные с прогревом ящиков с карбюризатором;
• Более низкая скорость цементации по сравнению с газовой цементацией (в 2 раза)

 

Твердая цементация применяется в  условиях единичного и мелкосерийного производства, отличается простотой  выполнения, не требует специального оборудования.

 

Газовая цементация осуществляется при нагреве изделий в среде газов, содержащих углерод. Наиболее часто используется газовый карбюризатор, состоящий из смеси газов метана СН4 (природный газ) и СО, при диссоциации которых образуется атомарный углерод:

 

СН4 → 2Н2 + Сат

 

2СО → СО2 + Сат

 

Далее процесс протекает так  же, как при твердой цементации, но длительность процесса существенно сокращается. Скорость газовой цементации соответствует скорости насыщения углеродом. Газовая цементация позволяет обеспечить заданную концентрацию углерода в слое, механизацию и автоматизацию процесса.

 

Газовая цементация применяется в серийном, крупносерийном и массовом производствах.

 

Цементации может подвергаться не вся поверхность изделия. В  этом случае участки, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднением, либо специальными обмазками.

 

Сама по себе цементация не обеспечивает выполнения главной задачи – получения высокой твердости и износостойкости на поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. Она создает только выгодное распределение углерода по сечению детали. Необходимое упрочнение поверхностного слоя достигается только последующей термической обработкой, которая всегда проводится после цементации. Детали подвергают закалке для получения высокой твердости в поверхностных слоях и низкому отпуску, для ее сохранения и уменьшения закалочных напряжений.[2]

 

Азотирование.

 

Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом.[2]. Цель – придание слою высокой твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии.[1]

 

Азотирование выполняют при  температуре 500 – 800С в муфельных  герметически закрывающихся печах. В качестве азотосодержащей среды  используется газ аммиак (NH3). При нагреве он диссоциирует на поверхности стальных изделий с образованием ионов азота (NH3 → 3H + N). Они активно диффундируют вглубь изделия, растворяясь в феррите, и образуют нитриды железа, которые обладают высокой твердостью.[2]. Но они не обеспечивают достаточной твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, таких как хром, молибден, алюминий, титан. Поэтому азотированию подвергают готовые легированные стали, содержащие указанные элементы.[1]

 

Азотированию подвергают готовые изделия, уже прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). Они имеют высокую прочность и вязкость, которые сохраняются в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Глубина азотированного слоя составляет 0,3 – 0,6 мм. Высокая твердость поверхностного слоя достигается сразу после азотирования и не требует последующей термической обработки.[1]. Однако, при изготовлении деталей, упрочняемых азотированием, очень часто производится термическая обработка, но не для повышения твердости поверхностного слоя (это задача азотирования), а для упрочнения сердцевины.[2]

 

Преимущества азотирования по сравнению с цементацией:

• Более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя;
• Сохранение высоких свойств поверхностного слоя при нагреве до 400 – 600С;
• Высокие коррозионные свойства;
• После азотирования не требуется закалка.

 

Недостатки азотирования по сравнению  с цементацией:

• Более высокая длительность процесса;
• Повышенные требования к экологии из-за использования аммиака;
• Применение дорогостоящих легированных сталей.

 

Поэтому азотирование применяют для  более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.[1]

 

Для сокращения продолжительности  процесса (в 2 – 3 раза), повышения качества азотированного слоя и уменьшения его хрупкости широко применяется ионное азотирование. Оно проводится в стальном контейнере, который служит анодом. Между ним и деталями, которые помещены в контейнер (катоды),возбуждается тлеющий разряд в среде газов аммиака или азота. Происходит бомбардировка поверхности каждой детали (катода) образующимися положительными ионами азота. При этом происходит очистка поверхности, далее поверхность нагревается за счет ионной бомбандировки и ионы азота поглощаются поверхностью деталей и диффундируют вглубь.[2]

 

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, окалийностойкость и др.

 

Диффузионная металлизация может проводиться:

• В твердой фазе. Металлизатором является ферросплав (феррохром, ферросилиций и т.д.) с добавлением хлористого аммония (NH4Cl);
• 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 AlCl3, SiCl4 и др., которые при 1000 – 1100С 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 – 1,0 мм; 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 0,2 мм. Хромирование используют для изделий из сталей любых марок. При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800С, окалийностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах (морская вода, кислоты).

 

Силицирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности кремнием. Толщина слоя составляет 0,3 – 1,0 мм. 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 0,4 мм. Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

 

1. Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник. – 4-е изд. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2009. – 332 с.

 

2. Материаловедение: Учеб. для учрежд. средн. профессион. образования / А.М. Адаскин, Ю.Е. Седов, А.К. Онегина, В.Н. Климов; под ред. Ю.М. Соломенцева.– М.: Высш. шк., 2005. – 456 с.: ил.