Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Металлообработка – это комплекс технологических процессов изменения размеров, формы и качественных характеристик металлов и сплавов. К ним относятся токарная обработка металла, термическая и химико термическая, электрофизическая, электрохимическая и многие другие виды металлообработки.

Термический метод

Термообработка изделий заключается в изменении структуры материала под воздействием:

нагрева до определенной температуры;
изотермической выдержки;
охлаждения с определенной скоростью.

В зависимости от режимов проведения работ металла конечным результатом операции может быть:

упрочнение;
разупрочнение;
стабилизация.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов Изменение структуры путем теплового воздействия

Виды термической обработки металлов и сплавов:

отжиг – заключается в нагреве изделия или заготовки с последующим охлаждением в печи для термической обработки металлов. В результате операции снимаются остаточные внутренние напряжения, повышается пластичность и уменьшается твердость стали;
закалка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической и последующим быстром охлаждении. В результате закалки прочность материала повышается, а пластичность падает;
отпуск – заключается в нагреве закаленной стали до заданной температуры, выдержке и охлаждении на воздухе (только сталь, склонную к отпускной хрупкости, охлаждают в воде). Отпуск является окончательной операцией термообработки. В результате этой операции снимаются (или уменьшаются) внутренние напряжения, деталь становится менее хрупкой и более пластичной. Отпуск бывает низким, средним и высоким;

нормализация – заключается в нагреве с последующим охлаждением на воздухе. Эта операция более быстрая и экономичная, чем отжиг, так как не требует охлаждения вместе с печью;
старение – заключается в форсированном изменении свойств материала, которое в природе происходит в течение длительного времени;
воздействие холодом – заключается в выдержке закаленной детали, остывшей до 200С, в охладителях (сухой лед, жидкая азотная кислота и пр.). применяется для изготовления режущего инструмента с целью повышения стойкости и производительности, измерительного инструмента – для полной стабилизации размеров.

Процесс данного метода работ непрост. Наука материаловедение и термическая обработка металлов изучает глубинные загадочные процессы, происходящие внутри металла.

Химико термический метод

Химико термическая методика предназначена для изменения состава стали в определенном слое. К этой группе методов относятся:

цементация – обогащение углеродом (науглероживание) поверхностного слоя стали. С помощью этого метода получают изделие с комбинированными свойствами: мягкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем;
азотирование – обогащение поверхностного слоя азотом для повышения коррозионной стойкости, усталостной прочности изделия;
борирование – насыщение поверхностного слоя металла бором. Боридный слой придает изделию повышенную износостойкость особенно при сухом скольжении и трении. Кроме того борирование практически исключает схватываемость (или свариваемость) деталей в холодном состоянии. Борированные детали отличаются высокой стойкостью к кислотам и щелочам;
алитирование — насыщение алюминием. Применяется для придания стали стойкости к агрессивным газам (серный ангидрид, сероводород);
хромирование – насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование малоуглеродистых сталей практически не влияет на их прочностные характеристики. Хромирование сталей с более высоким содержанием хрома называется твердым хромированием, так как в результате операции на поверхности детали образуется карбид хрома, обладающий:

высокой твердостью;
окалиностойкостью;
коррозионной стойкостью;
повышенной износостойкостью;

Электрофизические методы обработки металлов

К этой группе относятся методы проведения работ с помощью электрического тока, электролиза в комбинации с физическим воздействием.

Электроэрозионный метод

В процессе электроэрозионной обработки металла импульсом электрического тока с поверхности детали вырываются частицы металла. Импульсы на столько короткие, что за это время успевает расплавиться и испариться лишь небольшое количество вещества. При этом тепло не распространяется вглубь детали.

К электроэрозионному методу относятся:

электроискровая обработка металлов;
электроимпульсная.

Электроискровой метод основан на применении искрового разряда. В канале разряда температура достигает 100000С, но время действия импульса мало. В результате можно получить хорошую поверхность.

Но метод этот не отличается высокой производительностью, а износ инструмента равняется объему снятого вещества.

Метод применяется для особо точной (прецизионной) подгонки мелких деталей, вырезки деталей твердосплавных штампов по контуру, прошивки маленьких отверстий.

Электроимпульсная обработка основана на применении импульсов дугового разряда. Температура в рабочей зоне достигает 4000 – 50000С, что дает возможность пользоваться большими мощностями (несколько десятков киловатт). В результате повышается производительность обработки материала.

Чтобы заниматься художественной ковкой, необходимо иметь набор специального оборудования. Подробнее об этом читайте в нашей статье.

Вы — очень хороший сварщик? Тогда вы можете сделать полезные вещи для своего дома. Интересные идеи ищите по https://elsvarkin.ru/prakticheskoe-primenenie/stroeniya-iz-metalla-dlya-doma-i-dachi/ ссылке.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Химико-термическая обработка (ХТО) — нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).
Химико термический метод
Химико термическая методика предназначена для изменения состава стали в определенном слое. К этой группе методов относятся:
цементация – обогащение углеродом (науглероживание) поверхностного слоя стали. С помощью этого метода получают изделие с комбинированными свойствами: мягкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем;
азотирование – обогащение поверхностного слоя азотом для повышения коррозионной стойкости, усталостной прочности изделия;

борирование – насыщение поверхностного слоя металла бором.

Боридный слой придает изделию повышенную износостойкость особенно при сухом скольжении и трении. Кроме того борирование практически исключает схватываемость (или свариваемость) деталей в холодном состоянии. Борированные детали отличаются высокой стойкостью к кислотам и щелочам;

алитирование — насыщение алюминием. Применяется для придания стали стойкости к агрессивным газам (серный ангидрид, сероводород);

хромирование – насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование малоуглеродистых сталей практически не влияет на их прочностные характеристики. Хромирование сталей с более высоким содержанием хрома называется твердым хромированием, так как в результате операции на поверхности детали образуется карбид хрома, обладающий:

высокой твердостью;
окалиностойкостью;
коррозионной стойкостью;
повышенной износостойкостью;
Углеродистые стали
Классификация углеродистых сталей
Углеродистые стали классифицируют: — по структуре — по способу получения — по степени раскисления — по качеству
— по назначению
По структуре углеродистые стали подразделяют на: — доэвтектоидные (содержат менее 0,8% С) — эвтектоидные (0,8% С)
— заэвтектоидные (С более 0,8%)
По способу получения углеродистые стали разделяют на: — кислородно-конвертерные — мартеновские
— электростали
По степени раскисления углеродистые стали бывают: — спокойные — полуспокойные
— кипящие
По качеству (качество определяется содержанием вредных примесей в стали) углеродистые стали разделяют на: — стали обыкновенного качества
— качественные стали
По назначению углеродистые стали разделяют на: — конструкционные
— инструментальные
Стали классификация сталей

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

99% всей стали — материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы — теплостойкие, нержавеющие, и т.п.

Классификация сталей и сплавов производится:
по химическому составу;
по структурному составу;
по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей);
по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;
по назначению.
Химический состав По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:
малоуглеродистые — менее 0,3% С;

среднеуглеродистые — 0,3…0,7% С;

высокоуглеродистые — более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Сr, Ni, Мо, Wo, V, Аl, В, Тl и др.

), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

низколегированные — менее 2,5%;

среднелегированные — 2,5…10%;

высоколегированные — более 10%.
Структурный состав Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:
в отожженном состоянии — доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный и аутенитный.
К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.
Классификация стали по содержанию примесей
По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы Классификация сталей по качеству

Группа	S, %	Р, %
Обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06	менее 0,07
Качественные	менее 0,04	менее 0,035
Высококачественные	менее 0,025	менее 0,025
Особовысококачественные	менее 0,015	менее 0,025

Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Ст5кп. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.

Стали качественные

Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более стро-гих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода.

Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные

Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные — в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.

Стали особовысококачественные

Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

Классификация стали по назначению
По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
Строительные стали

К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям — их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

Стали для холодной штамповки
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.
Цементируемые стали

Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали

К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению — термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали

Высокопрочные стали — это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях — таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали

Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости — кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали

Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали

Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.)> обрабатываемых на станках-автоматах.

Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой.

Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали

Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали — высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Химико-термическая обработка сплавов

Химико – термическая
обработка – технологический процесс,
сочетающий термическое воздействие с
изменением химического состава поверхностного слоя детали.

Технология
ХТО состоит в нагреве деталей в
специальных активных атмосферах
(твердых, жидких, газообразных), т.е.

в
атмосферах с повышенной концентрацией
элемента, изменяющего химический состав
поверхностного (приповерхностного)
слоя.

Существуют две
разновидности ХТО:

1. Диффузионное
насыщение сталей и сплавов
элементами-металлоидами с меньшим
размером атома, чем металл-основа
(железо, титан и др.): углеродом, азотом,
бором. При этом слой, обогащенный данными
элементами, располагается в глубь от
поверхности («внутри сплава») (рис.
2.32).

2. Диффузионное
насыщение сталей и сплавов металлами:
алитирование (Al),
хромирование (Cr),
цинкование (Zn)
и другими элементами. При этом слой,
обогащенный данными элементами,
располагается на поверхности, образуя
покрытие, и частично проникает внутрь
металла (рис.2.33).

png»>ис.
2.32.

Химико-термическая обработка сплавов
металлоидами

Рис. 2.33. Химико — термической обработка
сплавов металлами

Хто с диффузионным насыщением углеродом и азотом

Цементация –
вид ХТО, при котором производится
диффузионное насыщение поверхностного
слоя металла (сплава) углеродом.

Целью обработки
является повышение твердости,
износостойкости (при хорошем сопротивлении
ударным нагрузкам), сопротивления
циклическим нагрузкам, циклическим
контактным нагрузкам. При этом сохраняется
пластичная и вязкая сердцевина детали,
что обеспечивает работоспособность в
сложных условиях нагружения (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Свойства цементованной
стальной детали, обеспечивающие
сопротивление различным видам нагрузок

Процесс цементации
проводят на сталях, содержащих 0,08 — 0,25
% С; это могут быть как углеродистые
стали, так и легированные. В результате
цементации концентрация углерода в
поверхностном слое возрастает до 0,8 —
1,4 % С.

Наиболее
распространенные детали, к которым
применяется ХТО,
это зубчатые
колеса, пары трения, кулачки, опоры валов
под посадку подшипников.
При химико-термической
обработке к параметрам, необходимым
любому процессу термообработки, –
температуре, времени выдержки, скорости
охлаждения, добавляется еще один –
среда насыщения (или активность среды
насыщения).
Нагрев цементуемых
деталей проводится в аустенитной области
при температурах 900 — 1000ºС.

Время выдержки
зависит от марки стали и от той толщины
слоя, который необходимо получить для
данной детали. Так, например, на
низкоуглеродистых сталях для получения
науглероженного слоя глубиной 2 мм при
температуре 900 ºС требуется 16 часов, при
температуре 950ºС – 10 часов.

Насыщающая средапри цементации
называется карбюризатором. Карбюризатор
может быть твердым, жидким, газообразным.

При этом цементация
всегда протекает через газовую фазу. В
насыщающей среде протекают следующие
реакции:
В твердой фазе:
ВаСО3
+ С → ВаО + 2СО.
На поверхности
детали протекает ведущая реакция:
2СО → СО2
+ С.
При газовой
цементации используется в качестве
карбюризатора природный газ (основная
часть его – метан), и реакция имеет
следующий вид:
СН4
→ 2Н2
+ С.

В ряде случаев
исходную газовую среду активизируют
ионизацией в тлеющем разряде. Углерод
в виде ионов переносится на насыщаемую
поверхность, адсорбируется на ней.
Проникновение ионов углерода в глубь
детали, т.е. диффузионное насыщение,
происходит в аустенитной области. Скорость охлаждения после выдержки при
температуре цементациизамедленная,
с печью.

Таким образом, после цементации
сталь имеет структуру отжига. После
цементации проводят закалку и низкий
отпуск. Поверхность детали, которая
должна сопротивляться износу и контактным
нагрузкам, состоит из высокоуглеродистого
мартенсита отпуска и частиц цементита.
Толщина упрочненного слоя после
цементации составляет 1,5 – 2 мм (но может
достигать и 6 мм).

«Двухслойная»
структура всей цементованной детали –
высокоуглеродистый мартенсит на
поверхности и малоуглеродистый мартенсит
в сердцевине, различные удельные объемы
этих составляющих – обуславливает
возникновение сжимающих напряжений в
поверхностном слое, которые благоприятны
для работы деталей в условиях циклических
нагрузок.

Азотирование
– процесс
насыщения сплавов азотом из газовых
сред.

Технология процесса
азотирования (температуры, продолжительность),
а также сопутствующая термическая и
механическая обработки, химический
состав применяемых сталей и окончательные
свойства отличаются от процесса
цементации.

Азотирование применяется
для сталей, содержащих более сильные
нитридообразующие элементы, чем железо:
хром, молибден, алюминий.

Такими сталями
являются низко — и среднеуглеродистые
легированные стали марок 38ХМЮА, 20Х2Н4ВА,
30Х3ВА и др.

Азотированиепроводят в
среде аммиака, который при нагреве
диссоциирует в соответствии с реакцией:

2NH3
→ N2
+ 3H2.

Нагрев проводится
в α — области при температурах 500 — 600ºС.
Поскольку эти температуры находятся в
интервале температур отпуска или
старения (для ряда сталей), то процесс
насыщения может быть совмещен с
термообработкой. Длительность составляет
24 — 60 часов (из-за пониженной по сравнению
с цементацией температуры насыщения).

Азотирование
является более дорогим процессом, чем
цементация, из-за повышенной длительности
процесса. Его применяют для ответственных
деталей – коленчатых валов, гильз
цилиндров, червяков, для деталей сложной
формы и тонких сечений, которые не
подвергаются последующему шлифованию.

Недостатки:большая
длительность процесса, более низкие
контактные нагрузки, чем для цементованных
деталей, из-за меньшей толщины упрочненного
слоя.

Современным
прогрессивным способом азотирования
является ионное
азотирование.
Его проводят
в специальных установках, в которых
детали являются катодом, стенки вакуумной
камеры – анодом.

В разреженной атмосфере
чистого азота при давлении 500 – 1300 Па и
напряжении 300 — 800 В возбуждается тлеющий
разряд и при этом происходит ионизация
азота.

Преимущества ионного азотирования
состоят в экономичности, хорошей
управляемости процессом, применимости
не только к легированным, но и к
высоколегированным (коррозионностойким)
сталям, высокой производительности.

Химико-термическая обработка

Методы химико-термической обработки металлов являются одними из важнейших направлений изменения свойств поверхности, обеспечивая поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, теплостойкости и т.д.

), а также повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмосферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости, жаростойкости, окалиностойкости и т.д.).

Методы химико-термической обработки включают две крупные группы диффузионных покрытий. Первая группа включает насыщение поверхности металлических изделий неметаллами, а также удаление неметаллов из поверхности.

Такими неметаллами являются: углерод, азот, бор, водород, сера. В этой связи способы химико-термической обработки металлов и сплавов получили названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование, сульфидирование.

Удаление неметаллов происходит при обезуглероживании, обезводороживании, деазотировании.

Насыщение может проводиться одним неметаллом, комплексно двумя или тремя неметаллами. Такими процессами являются: углеродоазотирование (низкотемпературное цианирование, низкотемпературная нитроцементация); азотонауглероживание (цианирование, нитроцементация); сульфоцианирование.

Вторая группа процессов включает насыщение металлами и удаление металлов из поверхности.

Такими процессами являются: алитирование (насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом), силицирование (насыщение поверхности кремнием).

Насыщение возможно любых металлических материалов любыми другими металлическими веществами, в том числе, например, его можно проводить титаном, ванадием, цинком, молибденом и другими элементами. Применяют покрытия двумя или тремя металлами, а также комплексно металлами и неметаллами одновременно или последовательно.

В качестве примеров можно привести хромосилицирование, хромованадирование, карбохромирование и т.д. Примером удаления металлов можно назвать обесцинкование.

Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в химически активной среде, содержащей насыщающий компонент. При этом нагрев ведут до температур, обеспечивающих развитие:

образование во внешней среде насыщающего вещества в виде легкоразлагающегося соединения или его атомарной формы;
адсорбирование поверхностью активного насыщающего вещества;
образование устойчивых межатомных связей между атомами насыщающего вещества и материала изделия с образованием твердых растворов, химических соединений, диффузии атомов в слое и развитие в нем фазовых и структурных преобразований, обеспечивающих достижение требуемого эффекта от насыщаемого изделия.
Технологические параметры конкретных процессов определяются на основе анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия между взаимодействующими компонентами.
Цементация стали

Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20 — 0,25%). Примерами цементуемых сталей являются: 10, 15, 20, Ст.3, 20Х, 20ХН, 12ХН3А, 20Х2Н4А и др. Отдельную группу мелкозернистых легированных сталей для цементации составляют стали типа 18ХГТ, 25ХНТЦ и др.

После цементации и окончательной термической обработки, заключающейся в закалке и низком отпуске, обеспечивается получение поверхностной твердости 56 – 64 НRС при сохранении вязкой сердцевины, что определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям.

Температурой цементации является 900 – 950 °С, хотя интенсивность насыщения непрерывно растет и при более высоких температурах до1147 °С. Однако такие температуры не применяются в связи с опасностью сильного роста зерна стали и нетехнологичностью процесса (низкая стойкость печного оборудования, нагревателей и технологической оснастки).

Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и иногда в расплавах солей (жидкостная цементация). Твердый карбюризатор для цементации — это гранулированный древесный уголь или полукокс, пропитанные углекислыми солями бария или натрия.

Детали упаковывают в стальные ящики с карбюризатором, закрывают крышкой и для герметизации обмазывают огнеупорной глиной.

Цементация в твердом карбюризаторе идет за счет неполного горения угля в герметически закрытом ящике, в котором, кроме угля и насыщаемых деталей, имеется некоторое количество кислорода из атмосферного воздуха. Неполное горение угля проходит по реакции:

2С + О = 2СО
Образовавшиеся молекулы окиси углерода являются неустойчивыми химическими соединениями, которые на металлической поверхности (железа) разлагаются, как на катализаторе, с выделением атомарного углерода:
2СО ® С + СО2
Углекислые соли бария и натрия являются своеобразными катализаторами процесса цементации в твердом карбюризаторе, поскольку они обеспечивают образование дополнительного количества окислителя при своем разложении при нагреве.
При газовой цементации в качестве карбюризаторов используют углеводородные газы, которые разлагаются в печи с образованием атомарного углерода и водорода:
СН4 ® С + 2Н2

Атомарный углерод адсорбируется поверхностью сначала по механизму физической адсорбции, а затем — химической, в результате чего атомы углерода входят в кристаллическую решетку железа с образованием твердого раствора (аустенита). Слой нарастает во времени: при цементации в твердом карбюризаторе по 0,1 мм/час, при газовой 0,12- 0,15 мм/час.

Концентрация углерода в поверхностном слое возрастает до предельно возможной при температуре насыщения, что определяется диаграммой фазового равновесия (см. диаграммы железо-углерод, рис.4.2, 4.3).

При медленном охлаждении с температуры цементации в поверхностном слое образуется структура, соответствующая высокоуглеродистой (заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной) стали с плавным переходом к сердцевине. Слой с такой структурой еще не обладает высокой твердостью и износостойкостью.

Для создания этих качеств требуется окончательная термическая обработка, заключающаяся в закалке с низкотемпературным отпуском.

Существует несколько вариантов технологии окончательной термической обработки после цементации.

Стали, склонные к росту зерна после цементации подвергают промежуточной закалке или нормализации с нагревом до температур 850 — 880 ˚С для измельчения зерна сердцевины деталей, с последующим нагревом под окончательную закалку до температуры 760 — 780 ˚С. Среда охлаждения при закалке определяется маркой стали.

Углеродистые стали охлаждают в воде, легированные — в масле. Стали, не склонные к росту зерна при цементации (18ХГТ, 25ХГТ и др.) подвергают непосредственной ступенчатой закалке с подстуживанием. После окончательной закалки отпуск проводят при температуре 160 — 200 ˚С.

Азотирование стали

Азотирование — поверхностное насыщение стали азотом, применяется, как и цементация, преимущественно для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей машин и механизмов.

Кроме того, азотирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости материала, а также обеспечивает теплостойкость упрочненного поверхностного слоя, не разупрочняющегося при нагревах до температур 500 – 600 °С. Характер упрочнения в результате азотирования принципиально иной по сравнению с цементацией.

Высокая твердость и износостойкость слоя достигается в результате образования сплошной нитридной зоны слоя на внешней поверхности изделия, а частичное упрочнение в переходной зоне за счет образования большого количества высокодисперсных очень твердых нитридов легирующих элементов, содержащихся в составе стали.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают углеродистые стали. Для повышения поверхностной твердости и износостойкости используют комплексно легированные стали, содержащие хром, молибден, алюминий и другие компоненты.

Примерами таких сталей являются: 38ХМЮА, 38ХЮА, 34ХН1М и др. Азотированию подвергают наиболее ответственные детали: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, детали топливной аппаратуры.

Азотированию также подвергают нержавеющие стали ферритного или аустенитного класса: 30Х13, 40Х13, 40Х14Н14В2М и др.

После азотирования не требуется проведения какой-либо термической и механической обработки. Изделия после азотирования сразу подаются на сборку.

Размеры изделий при азотировании не изменяются, поэтому азотированию подвергаются готовые детали без припусков на окончательную механическую обработку. В этой же связи, свойства, которыми должна обладать сердцевина изделия, должны быть сформированы до азотирования.

Поэтому заготовки для изготовления азотируемых деталей подвергают предварительной термической обработке (улучшению), включающей закалку и высокотемпературный отпуск.

Газовой средой для азотирования является аммиак, который при нагреве диссоциирует на составные части по реакции: 2 NH3 ® 2 N + 3 H2

Образующийся атомарный азот адсорбируется поверхностью, диффундирует вглубь изделия, и взаимодействует с компонентами стали (железом, хромом, молибденом, алюминием и др.) с образованием нитридов.

Азотирование для повышения износостойкости легированных сталей проводят при температуре 500 – 560 °С с выдержками от 25 до 60 часов из расчета, что 0,01 мм слоя прирастает за 1 ч выдержки. Для сталей аустенитного класса длительность выдержки удваивается.

Структура слоя содержит 2 структурные зоны: внешняя нитридная (e и g¢) и подслой (переходная зона), представляющая собой зону азотистого феррита с выделением по границам зерен прожилок третичных нитридов. Упрочнение поверхности обеспечивает только нитридная зона слоя.

Методы совместного насыщения азотом и углеродом

Совместное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом предусматривает возможность реализации двух принципиально различающихся способов в зависимости от того, какой из этих элементов является основным, а какой дополнительным.

Высокотемпературные процессы совместного насыщения напоминают по развивающимся процессам цементацию. В них насыщение идет преимущественно углеродом и в меньшей степени – азотом. Такие процессы по действующей классификации называют азотонауглероживанием.

Однако этот термин на практике не прижился.

Технологии этого типа называют чаще высокотемпературным цианированием (если процесс ведется в расплавах солей, содержащих до 20 – 25 % цианистого натрия), или нитроцементацией (если проводится насыщение в газовых средах аналогично газовой цементации с дополнительной подачей в печь некоторого количества аммиака). Цианирование и нитроцементация обеспечивают получение слоя, аналогичного получаемому при цементации. Азот увеличивает прочностные свойства слоя, его износостойкость. Режимы обработки после насыщения практически совпадают с аналогичными режимами обработки после цементации.

Температура нитроцементации или цианирования составляет 870 – 900 °С, т.е. на 30 °С ниже, чем цементации. Совместное насыщение углеродом и азотом происходит несколько быстрее, чем только углеродом, в связи с чем, длительность нитроцементации оказывается меньше, чем газовой цементации. Скорость роста слоя составляет 0,20 — 0,25 мм/ч.

Низкотемпературные процессы совместного насыщения азотом и углеродом имеют механизм, соответствующий насыщению азотом. Температура углеродоазотирования (низкотемпературного цианирования) такая же, как и при азотировании.

В этом случае и природа формирующегося слоя также аналогична азотированному слою, однако дополнительная диффузия углерода в слой приводит к образованию карбонитридов вместо нитридов, что повышает прочность слоя и несколько уменьшает его хрупкость.

Основное применение низкотемпературного цианирования – дополнительное упрочнение режущего и штампового инструмента, изготовленного из быстрорежущих и других теплостойких сталей.

Инструменты после окончательной термической обработки на максимальную твердость и после шлифовки и заточки насыщают при температуре 540 – 560 °С в течение 2 – 4 ч.

При этом формируется тонкий (0,04 — 0,09 мм) карбонитридный слой высокой твердости и износостойкости, увеличивающий режущую стойкость инструмента в 1,5 — 2,0 раза. Термообработки после насыщения, как и после азотирования, не требуется.

Комплексное насыщение тремя неметаллами одновременно: азотом, углеродом и серой получило название сульфоцианирование.

Этот процесс используется для обеспечения особого комплекса свойств поверхностей, работающих в условиях сухого трения (без смазки) при высоких удельных давлениях.

В этих условиях кроме высокой износостойкости, поверхности должны обладать хорошей прирабатываемостью друг к другу при трении, и не образовывать «задиры» на поверхности.

Примерами деталей, подлежащих сульфоцианированию, являются диски тормозов, тяжело нагруженные подшипники скольжения и др. Процесс ведется в жидких (солевых) или твердых средах (карбюризаторах), в которые, кроме углеродсодержащих, азотсодержащих веществ вводят сульфид железа или небольшие добавки элементарной серы. Температура процесса от 500 до 680 °С, время выдержки 5–6ч.

Формируется слой, аналогичный нитроцементованному, общей глубиной 0,05 — 0,07 мм. Внешняя зона — сульфидная, хрупкая, глубиной 0,01 — 0,02 мм с содержанием серы до 2%.

Химико-термическая обработка металлов | это… Что такое Химико-термическая обработка металлов?

Химико-термическая обработка (ХТО) — нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Классификация процессов химико-термической обработки

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже — сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы.

Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда).

Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)

В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.

Массоперенос при химико-термической обработке

При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:

реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента);
диффузия в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава;
процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев — удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду;
диффузия в насыщаемом сплаве;
реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т.д.).

Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО.

Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки.

Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, то есть содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

Применение

ХТО применяют с целью:

поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.);
сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;
придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);
придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).