Химико-термическая обработка

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Химико-термическая обработка (ХТО) − это обработка, сочетающая термическое воздействие с химическим, в результате чего изменяются состав и структура и свойства в поверхностных слоях изделия. Во время выдержки в активной среде изделие диффузионно обогащается элементами из внешней среды. Различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах.

При ХТО одновременно протекают несколько процессов.

Первый процесс – диссоциация. Образование в окружающей среде или отдельно взятом реакционном объеме диффундирующего элемента в атомарном (ионизированном) состоянии; насыщающая атмосфера должна обеспечить высокую концентрацию диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемого изделия. Например, 2СО→ СО2 + С или 2NH3 →3H2 + 2N. При этом образуются активные атомы углерода и азота, способные растворяться в металле. Степень распада молекул газа (%) называется степенью диссоциации.

Второй процесс – адсорбция. Происходит на границе газ металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент способен растворяться в основном металле.

Проникновение диффундирующего элемента вглубь изделия – диффузия. В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего элемента наибольшая и уменьшается от поверхности в глубь металла. Глубина проникновения будет представлять собой толщину диффузионного слоя. Этот слой отличается от исходного металла по химическому составу, структуре и свойствам. При насыщении металла, например железа, различными элементами строение слоя подчиняется общему правилу, согласно которому диффузия вызывает образование однофазных слоев, соответствующих однофазным областям диаграммы фазового равновесия Fe-M (M – любой другой элемент), пересекаемым изотермой при температуре насыщения. Диффузионные слои образуются в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояний при данной температуре насыщения. При переходе от одной фазы к другой отмечается скачок концентрации, соответствующий ширине двухфазной области на диаграмме фазового равновесия.

ЦЕМЕНТАЦИЯ

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствую-щей среде – карбюризаторе. Цементации подвергают изделия из сталей, содержащих не более 0,25 % С. Среда, поставляющая углерод, называется карбюризатором. При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, куда засыпают древесный уголь с добавкой 20 % ВаСО3. При нагреве образуется оксид углерода:

2С (уголь) + О2 → 2СО.

В контакте с железом он дает атомарный углерод:

2СО → СО2 + С (ат.).

Этот активный углерод поглощается аустенитом (как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930 – 950°С)) и диффундирует в глубь изделия. Глубина диффузионной зоны увеличивается по параболическому закону:

x = K τ D,

где D – коэффициент диффузии; τ – время насыщения; K – константа.

Добавка ВаСО3 интенсифицирует процесс цементации, поставляя дополнительное количество активного углерода:

ВаСО3 + С (уголь) → ВаО + 2СО и 2СО → СО2 + С (ат.).

Для газовой цементации карбюризатором служит природный газ (СН4), получаемый в специальных генераторах с контролируемой атмосферой, а также керосин или бензин, каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют газовую фазу.

Основной поставщик углерода при газовой цементации – метан

СН4 → 2Н2 + С.

Цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве, а газовую цементацию – в массовом.

Глубина диффузионной зоны при цементации составляет 0,5...2,0 мм. В зависимости от заданной глубины цементованного слоя время выдержки составляет при цементации от нескольких часов до нескольких десятков часов. За эффективную толщину цементованного слоя часто принимают сумму заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (до содержания 0,45 % С), что соответствует твердости 50 НRC.

Цементация является промежуточной операцией, цель которой обогащение поверхностного слоя углеродом (до 0,8...1,0 % С). Закалка после цементации благодаря образованию в поверхностном слое высокоуглеродистого мартенсита и придает этому слою высокую прочность и твердость. После закалки цементованных изделий проводят низкий отпуск.

Для изделий ответственного назначения после цементации термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (выше точки Ас3) назначают для формирования структуры сердцевины, кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при последующем бы стром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом 760 – 780° С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. В результате термообработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (до 30 – 50 %).

Заключительной операцией термической обработки цементованных деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180° С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Структура сердцевины изделия из углеродистой стали состоит из сорбита, а легированных сталей – из низкоуглеродистого мартенсита или бейнита.

Цементацию очень широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий (шестерен, зубчатых колес, валов и др.) с сохранением вязкости их сердцевины.

АЗОТИРОВАНИЕ

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 – 500° С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225° С.

Для азотирования используют аммиак, который поставляет атомарный азот

2NН3→ 2N + 3Н2

Азотирование проводят при температурах 500...580° С в течение 1...60 ч. Толщина азотированного слоя составляет 0,1...0,8 мм. Последовательность образования фаз при диффузионном насыщении соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния Fe-N (см. рис. 102). Например, при температуре азотирования 550° С сначала образуется α-фаза (азотистый феррит), затем γ′-фаза (Fe4N) и, наконец, самый внешний слой Fе2-3N (ε-фаза).

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают высокую твердость и износостойкость при азотировании (одновременное присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 НV – сталь 38Х2МЮА).

Технологический процесс азотирования предусматривает проведение нескольких операций.

• Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Структура стали после отпуска – сорбит отпуска.

• Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.

• Защита участков, не подлежащих азотированию.

• Азотирование.

• Окончательное шлифование или доводка изделия.

Азотирование является длительным процессом и для его ускорения проводят двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520° С, а затем при 540 – 560° C. Также существуют ионное азотирование, азотирование в жидких средах (тенифер-процесс) и азотирование в кипящем слое.

Рис.102. Участок диаграммы состояния Fe-N

ЦИАНИРОВАНИЕ

Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 – 870° С в расплавленных солях в течение 2…10 ч, содержащих группу NaCN.

По сравнению с газовой цементацией цианирование имеет следующие преимущества: ниже температура процесса и, следовательно, меньше рост аустенитного зерна, выше износостойкость и меньше коробление деталей.

Цианирование позволяет выполнять закалку непосредственно из цианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск (180 – 200° С). Твердость цианированного слоя после термической обработки 58 – 62 HRC. Недостатком процесса является ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия мер по охране труда.

ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛЛАМИ

И НЕМЕТАЛЛАМИ

Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна сопротивляться окислительному действию рабочей и окружающей среды. Традиционными способами таких покрытий являются алитирование, хромирование и силицирование из порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активатор (NH4Cl, NH4J) и нейтральный порошок для предотвращения спекания смеси.

Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами, нагревают в печи до температур 1000…1200° С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев заданных толщины и структуры.

Алитированию, хромированию и силицированию подвергают сплавы на железной, никелевой и других основах. Эти диффузионные слои способны защищать детали от окисления при высоких температурах, так как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные пленки из А12О3, Сr2О3 и SiO2, препятствующие диффузии кислорода. Хромирование среднеуглеродистых сталей приводит и к повышению их поверхностной твердости и износостойкости, так как а поверхности образуется тонкий слой (0,025 – 0,030 мм) карбида (Сr,Fe)7С3 или (Сr,Fe)23С6 с твердостью 1200 – 1300 НV. Несмотря на низкую твердость (200 – 300 НV), силицированный слой хорошо сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170 – 200° С.

Высокой твердостью и износостойкостью обладают диффузионные боридные слои. Износостойкость борированной стали 45 в условиях трения скольжения в 4 – 6 раз выше износостойкости цементованных и в 1,5 – 3 раза цианированных сталей.

Диффузионными покрытиями можно значительно повысить коррозионную стойкость углеродистых сталей в разбавленных водных растворах неорганических кислот.

АЛИТИРОВАНИЕ

Алитирование − насыщение поверхности стали алюминием. Применяют алитирование для повышения жаростойкости сталей, чугунов, литых лопаток газотурбинных двигателей из никелевых сплавов. При нагреве алитированного изделия на его поверхности образуется тонкая и прочная пленка А12О3, предохраняющая изделие от дальнейшего окисления. Алитирование чаще всего производят в порошкообразной смеси ферроалюминия, NH4Cl и Al2O3, в которой образуется газообразный хлорид AlCl3, являющийся поставщиком активных атомов алюминия. Алитирование проводят при 950 – 1050° С в течение 3...12 ч.

БОРИРОВАНИЕ

Борирование − насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Борированные слои вследствие образования на поверхности боридов FeB и Fe2B обладают исключительно высокой твердостью (до 2000 НV) и высоким сопротивлением абразивному износу; однако боридные слои очень хрупкие.

Для уменьшения хрупкости боридных слоев и с целью плакирования поверхности проводят одновременное (чаще поэтапное) насыщение поверхности стали бором и хромом (борохромирование), бором и никелем (бороникелирование) и т. п.

Дата добавления: 2015-09-30