Науглероживание ( Цементация)
Тема занятия: Химико-термическая обработка
Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
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. Цель химико-термической обработки -поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.
Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий :
-диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Например, диссоциации окиси углерода 2СО→СО2+С или аммиака 2НN3→3Н2+2N;
-адсорбции, т.е. контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла;
-диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.
|
|
|
Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.
Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.
Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.
|
|
|
В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом 2 внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками. В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах.
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).
Если источником насыщающего элемента является твердая фаза, атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в места прямого контакта его с поверхностью изделия. Этот процесс малоэффективен, и применяется редко. Обычно твердую среду используют для создания активной газовой или паровой фазы, из которой атомы насыщающего элемента поступают в изделие. Например, при цементации в твердом карбюризаторе (древесном угле) атомы углерода, диффундирующие в сталь, образуются из окиси углерода (2СО → С+СО2), а древесный уголь необходим лишь для образования газовой фазы. Другой пример — диффузионное хромирование в «твердой» среде, когда изделие упаковано с порошком хрома или феррохрома. При нагреве хром испаряется и его атомы поступают в изделие главным образом из паровой фазы, а не в местах прямого контакта порошка с поверхностью изделия. При химико-термической обработке в жидкой среде атомы элемента, диффундирующего в изделие, образуются в результате химических реакций в расплавленной соли (например, в NаСN при цианировании стали) или поступают непосредственно из расплавленного металла (например, из расплава алюминияпри диффузионном алюминировании стали).
|
|
|
Газовая среда и активная газовая фаза, образующиеся при нагреве в твердой среде, в промышленных процессах служат самыми распространенными поставщиками атомов элементов, которыми обогащаются поверхностные слои изделия.
По характеру изменения химического состава обрабатываемого изделия все разновидности химико-термической обработки можно разделить на три группы: диффузионное насыщение неметаллами, диффузионное насыщение металлами и диффузионное удаление элементов. Эти группы включают разнообразные промышленные процессы химико-термической обработки
|
|
|
Этот вид обработки относится главным образом к сталям, так как химико-термическую обработку чугунов и цветных металлов и сплавов в промышленности применяют несравненно реже.
Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизация – это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.
При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие из ферросплавов с добавлением хлористого аммония в количестве 0,5-5%.
Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например цинк, алюминий).
При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах .
Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы – твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими.
Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температуре 900-1200 oС.
Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.
При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик.
Основным недостатком является- налипание алюминия на поверхность детали.
Алитированные стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.
Алитированием подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д.
Хромирование проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости и т.д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость. Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных смесях. Процесс происходит при температуре 1000-1050 o С. Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Карбидный слой имеет высокую твердость HV 12000-13000. Толщина хромированного слоя достигает 0,15- 0,20 мм при длительности процесса 6-15ч.Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.
Иногда применяют хромирование в вакууме. Изделия засыпают кусочками хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную печь.
Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей.
Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3мм, твердость HV 18000-20000.
Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штампы.
Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.
Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в α-железе. Силицированный слой несмотря на низкую твердость (HV 2000-3000) и пористость после пропитки маслом при температуре 170-200 oС имеет повышенную износостойкость. При газовом силицировании при температуре 1000 oС в течение 2-4ч образуется слой толщиной 0,5-1,0 мм.
Силицированием подвергают детали, применяемые а оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности.
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.
Науглероживание ( Цементация)
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.
Цементацией подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.) .
Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,10мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, наносимым электрическим способом, или специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.
Цементация осуществляется при температурах выше 900-950 oС. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь металла.
В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0 %. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.
Среда, в которой проводят цементацию, называют карбюризатором.
Цементация в твердой с реде. Карбютизатором является активированный древесный уголь, а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы – углекислый барий, кальцинированную соду, поташ в количестве 10-40% от массы угля.
Обычная рабочая смесь, применяется для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75% отработанного.
Подготовленнные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой детали засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, находящегося в цементационном ящике между частицами карбюризатора, образует окись углерода:
2С (уголь)+О2→ 2СО.
В контакте с железом окись углерода дает атомарный углерод:
2СО→ СО2 + С (атомарн.).
Повышенная температура цементации до 950-1000 oС позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.
После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью HRC 60-63.
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.
Цементация пастами. Процесс заключается в нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя вещества в виде суспензии, обмазки или шликера, в сушке и последующим нагреве. Вид пасты определяет технологию ее нанесения. Паста сравнительно жидкой консистенции наносится на детали окунанием, а более густо-с помощью кисти. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше заданной глубины цементованного слоя. Основными компонентами паст являются сажа и кальцинированная сода, кокс малосернистый, сода или поташ.
Высушенные детали аккуратно, чтобы не повредить слой пасты, укладывают одна на другую в ящик и закрывают его крышкой. Ящик загружают в печь с температурой 950-1050 oС; чем выше температура нагрева, тем меньше длительность процесса. Кроме того, для нагрева деталей можно применять токи высокой и промышленной частоты.
По окончанию выдержки детали охлаждают в ящиках на воздухе. Можно осуществить также подстуживание до закалочной температуры и произвести закалку непосредственно с цементационного нагрева.
Газовая ц е м ентация. В настоящие время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечивать более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.
Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного печах непрерывного действия.
При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, бензол.
В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода .
Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3-1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода 0,8%.
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.
Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. 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.
Одним из недостатков процесса цементации является длительность технологического процесса. Наиболее реальный путь ускорения процесса цементации – повышение температуры. Однако применительно к цементации в проходных печах (насыщение на толщину до 1,5 мм) повышение температуры малоэффективно, так как при этом увеличивается время нагрева до температуры насыщения, время подстуживания до температуры закалки, а также сокращается срок службы оснастки цементационной печи.
Вакуумная цементация.
Процесс вакуумной цементации имеет ряд преимуществ перед обычным процессом цементации:
- отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля углеродного потенциала;
- сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре и изменения потенциала атмосферы;
- получение светлой поверхности деталей после цементации;
- отсутствие кислородосодержащих компонентов в атмосфере исключает внутреннее окисление деталей; улучшение условий труда;
- уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа; - большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут);
- более высокая культура производства;
- лучшее проникновение газакарбюризатора в отверстия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей.
Недостатком вакуумной цементации является высокая стоимость оборудования
Цементация в т лею щ ем разряде ( и о нная цементация). В последние годы некоторое применение получила ионная цементация (цементация в плазме тлеющего разряда). Тлеющим разрядом называют один из видов газового разряда, в котором катод испускает электроны в результате бомбардировки положительными ионами и фотонами, образующимися в газе. Основными процессами при обработке в тлеющем разряде являются катодное распыление, т.е. удаление атомов с поверхности катода за счет бомбардировки его ионами газа, и диффузионное насыщение поверхностных слоев различными элементами (N, C, B и др.).
А з о т и рование
Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650 oС, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:
2NН4 →2N+4Н2
который диффундирует в поверхностные слои детали.
При азотировании легированных сталей, содержащих алюминий, молибден, хром, титан азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды (нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
При азотировании увеличиваются не только твердость (твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает HV 11000-12000) и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.
Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки.
Обычно процесс азотирования ведут при температурах 500-520 oС. В этом случае получают толщиной до 0,5мм за 24-90ч.
В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров детали.
Процесс жидкого азотирования осуществляется при температуре 570 oС в расплаве цианосодержащих солей. В ходе процесса расплав непрерывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превращения цианида в цианат, являющийся поставщиком атомов углерода и азота.
Менее распространены процессы азотирования в бесцианистых солях, содержащих азот и в расплавах нейтральных солей, через которые продувают аммиак.
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…560 oС 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.
Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700 oС, 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).
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 56; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!