Читайте также:
|
|
Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (углеродом, азотом, бором и т. п.) путем его диффузии из внешней среды. Изделие помещают, в среду богатую элементом, и нагревают. При этом происходят следующие процессы:
диссоциация – распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента;
адсорбция – осаждение атомов элемента на поверхности стальной детали;
диффузия – проникновение атомов элемента вглубь металла (в поверхностные слои детали).
При химико-термической обработке в стали протекают фазовые превращения, связанные с нагревом и охлаждением, изменяется химический состав и структура поверхностных слоев, что в широких пределах изменяет свойства.
6.3.1. Операции химико-термической обработки
Цементация стали – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом при нагревании выше критических точек в соответствующей среде – карбюризаторе.
При науглероживании, а затем закалке и отпуске поверхностный слой приобретает высокую твердость, износостойкость, в нем образуются остаточные напряжения сжатия. Сердцевина изделия (углерода менее 0,3 %) закалку не воспримет – останется мягкой, пластичной.
Цементации подвергают конструкционные углеродистые и легированные стали с низким содержанием углерода (например, марки 15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 12ХН3А и др.). Этот процесс широко применяется в локомотиво-, станко- и автотракторостроении, инструментальном производстве и т. п.
Цементация в твердом карбюризаторе – наиболее древний способ. В настоящее время используется редко (чаще в единичном и мелкосерийном производстве). Карбюризатор – смесь порошка древесного угля и углекислых солей бария и натрия (10 – 40 %). Детали укладывают в стальной ящик, равномерно пересыпая карбюризатором. Ящик закрывают, помещают в печь и нагревают до 925 – 950°С. Длительность выдержки после нагрева зависит от требуемой глубины слоя (0,5 – 2,0 мм) при содержании в нем углерода до 1,0 – 1,2% (10 ч – для слоя, глубиной в 1 мм). Контроль за процессом ведется по изломам стержней (свидетелей), специально вставляемых в ящик вместе с деталями.
Газовая цементация впервые применена Павлом Петровичем Аносовым в тридцатых годах девятнадцатого столетия на златоустовском заводе. В России впервые внедрена на московском автозаводе имени Лихачева. Ее проводят в печах непрерывного действия. Детали помещают в печь на поддонах, подвесках или в корзинах. В качестве карбюризатора применяют естественные (природные) и искусственные газы. Используют жидкие карбюризаторы (бензол, керосин, синтин), которые подаются в печь через капельницу.
При газовой цементации детали находятся в постоянном контакте с углеродосодержащими газами. При высокой температуре газы диссоциируют с выделением атомарного углерода, который оседает на поверхности стали и диффундирует в глубину детали. При газовой цементации выдержка составляет 4 – 5 ч на 1,0 мм глубины науглероженного слоя.
По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация имеет ряд преимуществ:
нагрев деталей происходит значительно быстрее и сокращается необходимое время выдержки при цементации;
возможность регулировки количества и состава цементирующего газа;
возможность полной механизации и автоматизации процесса;
улучшение условий труда.
Газовая цементация получила широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве, где затраты на специальное оборудование экономически целесообразны.
Микроструктура низкоуглеродистой стали после цементации изменяется от поверхности к центру детали (рис. 36). Поверхностная зона (заэвтектоидная) имеет структуру – перлит и цементит, затем идут эвтектоидная зона – структура перлит и переходная (доэвтектоидная) – структура перлит и феррит. Чем ближе к сердцевине, тем больше в переходной зоне феррита и меньше перлита. За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до
Рис. 36. Микроструктура цементованной стали
Задача цементации – получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь благоприятное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка с низким отпуском, при которой на поверхности получается мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость.
Такая термическая обработка обеспечивает твердость поверхностного слоя HRC60 – 64 у углеродистых сталей и HRC58 – 62 у легированных. Твердость сердцевины HRC25 – 35 (в зависимости от состава стали).
Для закалки цементованные детали нагревают до 820 – 850°С с охлаждением в воде. Это обеспечивает измельчение зерна и закалку цементованного слоя, а также частичную перекристаллизацию с измельчением зерна сердцевины. Структура поверхностного слоя – мартенсит с небольшим количеством вторичных карбидов, твердость – HRC56 – 63.
При повышенных требованиях к свойствам деталей применяют двойную закалку или нормализацию и закалку. Первая закалка (или нормализация) – для измельчения зерна и исправления структуры перегретой стали (температура 880 – 900°С), вторая закалка (неполная) – для получения мартенсита в поверхностном слое (температура 760 – 780°С).
Цементованные стали после закалки обязательно подвергают низкому отпуску при температуре 160 – 180°С.
Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных деталей вследствие образования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Цементованная сталь обладает высокой износостойкостью и контактной прочностью.
Азотирование – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая резко повышает твердость и износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.
Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные алюминием, хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием (38ХЮ, 38ХМЮА,| 38ХВФА), образующие в поверхностных слоях нитриды легирующих элементов.
Детали, прошедшие улучшение (закалку с высоким отпуском), нагревают в среде аммиака до 500 – 520°С и выдерживают 40 – 60 ч. Предварительная термообработка необходима для получения повышенной прочности и вязкости сердцевины изделия. Толщина азотированного слоя 0,3 – 0,6 мм, твердость его HRC54 – 66. Наиболее высокую твердость имеют стали, легированные алюминием.
Износостойкость и предел выносливости азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. После азотирования проводят шлифование, полирование и доводку деталей.
Нитроцементация – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживащего газа и аммиака.
Нитроцементация проводится для углеродистых и легированных сталей при температуре 840 – 860°С. Продолжительность операции 4 – 10 ч, глубина слоя 0,2 – 0,8 мм.
После нитроцементации следует закалка стали либо непосредственно из печи с подстуживанием до 825 – 800°С, реже после охлаждения и повторного нагрева. Отпуск – низкий, при температуре 160 – 180°С. Твердость слоя после закалки и отпуска HRC58 – 64. Структура нитроцементуемого слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость деталей. Например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальная прочность нитроцементуемой детали достигается только при оптимальном содержании в поверхностном слое углерода и азота.
Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цементацией она имеет следующие преимущества: более низкая температура процесса и меньшее коробление изделий; выше сопротивление износу и коррозии. Процесс широко применяется на автотракторных заводах и все больше заменяет газовую цементацию. Например, на ВАЗе 95% деталей, проходящих химико-термическую обработку, подвергают нитроцементации.
Борирование – операция насыщения поверхностного слоя стали бором. Она обеспечивает высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Этой операции можно подвергать любые стали, но углерод и легирующие элементы уменьшают глубину борированного слоя, которая обычно достигает 0,1 – 0,2 мм. В поверхностном слое образуется борид железа, а в подповерхностном – борид железа и альфа-твердый раствор. Твердость поверхности HV1800 – 2000 (более HRC72).
Борированию подвергают поверхности штампов для горячей штамповки, детали оборудования нефтяной и химической промышленности. Например, втулки грязевых нефтяных насосов для повышения их устойчивости против абразивного изнашивания.
6.3.2. Диффузионная металлизация
Насыщение поверхности стали элементами-металлами (алюминием, хромом и т. п.) называется диффузионной металлизацией.
Алитирование – операция насыщения поверхности деталей алюминием для повышения их жаростойкости (окалиностойкости). При нагревании на поверхности детали образуется плотная пленка окиси алюминия, которая защищает основной металл от окисления. Жаростойкость алитированных деталей до 850 – 900°С. Твердость поверхности после алитирования возрастает до НВ400 – 450, износостойкость слоя – низкая. Устранение хрупкости и выравнивание содержания алюминия в поверхностном и подповерхностном слоях достигаются диффузионным отжигом при температуре 950 – 1000°С в течение 3 – 5 ч.
Алитированию чаще подвергают детали из низкоуглеродистых, реже среднеуглеродистых, легированных сталей и чугунов (клапаны, лопатки турбин, трубы коллекторов, чехлы термопар и т. п.). Увеличение содержания углерода и легирующих элементов в стали понижает скорость диффузии алюминия, что увеличивает продолжительность процесса и снижает производительность. Эту операцию проводят в твердой, жидкой или газообразной среде. Глубина алитированного слоя 0,15 – 0,45 мм.
Хромирование – операция насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, а у средне- и высокоуглеродистых сталей при этом значительно повышаются твердость и износостойкость. Жаростойкость хромированной стали до 800°С. Глубина хромированного слоя 0,05 – 0,20 мм.
Хромируют стали с различным содержанием углерода. С увеличением его содержания диффузия хрома замедляется. При одинаковых режимах (температуре и выдержке) максимальная глубина слоя будет у низкоуглеродистой стали.
Антикоррозионными свойствами во многих средах (морской воде, сернистых и углекислых газах) обладают хромированные слои любых сталей, но более устойчивы они у средне- и высокоуглеродистых, которые хорошо сопротивляются действию 20 %-ной соляной кислоты и 30 – 50 %-ной азотной кислоты.
Хромированию, подвергают детали паросилового оборудования, пароводяной арматуры, a также детали, работающие на износ в агрессивных средах (клапаны, вентили, втулки и т. п.).
Хромированный слой низкоуглеродистой стали – твердый раствор хрома в альфа-железе – обладает низкой твердостью (НВ180 – 200) и высокой пластичностью. Детали можно сгибать, осаживать, т. е. пластически деформировать.
У средне- и высокоуглеродистых сталей хромированный слой состоит преимущественно из карбидов хрома, поэтому его твердость высокая (HV1200 – 1300) до HRC72 и превосходит твердость азотированной и цементованной закаленной стали. Слой обладает высокой износоустойчивостью, но и повышенной хрупкостью, что является его основным недостатком.
Силицирование – операция насыщения поверхностного слоя стали кремнием. Проводится для деталей, работающих в агрессивных средах, при высоких температурах и в условиях трения для оборудования нефтяной, химической и бумажной промышленности (детали насосов, арматура, патрубки, винты).
Силицированные детали обладают высокой жаростойкостью (окалиностойкостью) – до 700 – 750°С и кислотоупорностью, так как образующаяся на поверхности окисная пленка кремния предохраняет металл от дальнейшего окисления и является стойкой к кислотам любой концентрации (азотной, серной, соляной) при их температуре до 100°С.
Несмотря на низкую твердость НВ270 (HV250 – 300) силицированный слой плохо обрабатывается режущими инструментами, отличается пористостью, но обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при 170 – 200°С. Силицированные изделия можно деформировать и накатывать на них резьбу.
Наиболее широко применяется газовое силицирование порошковым методом. В рабочее пространство печи помещают детали, засыпают их порошковым ферросилицием или карбидом кремния, нагревают до 950 – 1000°С и пропускают хлор. Образуется хлористый кремний. При контакте с поверхностью детали из него вытесняется атомарный кремний, диффундирующий в сталь. Процесс ведут в течение 2 – 5 ч. Силицированный слой толщиной 0,5 – 1,4 мм представляет собой твердый раствор, содержание кремния в котором до 14 %.
Кроме перечисленных операций химико-термической обработки в машиностроении используются: диффузионное цинкование, титанирование, боралитирование, боросилицирование и другие операции многокомпонентного насыщения поверхности деталей несколькими металлами и металлоидами.
7. Легированные стали
Легированными называют стали, в состав которых специально вводятся химические элементы, называемые легирующими. К ним относятся: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан и др.
Механические свойства никакой другой группы материалов не изменяются так сильно, путем добавления легирующих элементов и под воздействием процессов термообработки, как у сталей. Легированием стали (различными элементами в разных количествах) и применением термической обработки можно получить большую вязкость при одинаковой прочности по сравнению с углеродистой сталью, большую прочность и т. д.
Но преимущества легированных сталей заключается не только в более высоких механических свойствах. Легированием можно изменить и физико-химические свойства стали, получить сталь нержавеющую, кислотостойкую, жаропрочную, немагнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами. Влияние легирующих элементов на сталь очень велико.
Все легирующие элементы сдвигают точки диаграммы состояния как по температуре, так и по концентрации, образуя стали с ферритной, аустенитной, перлитной, карбидной структурами. Очень большое влияние легирующие элементы оказывают на режимы термической обработки сталей, изменяя температуры отжига, закалки и отпуска.
Легирующие элементы разделяются на карбидообразующие: хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан и др., которые могут находиться в твердом растворе, а при значительных количествах образовывать специальные карбиды. Карбиды легирующих элементов обладают более высокой твердостью, чем карбид железа – цементит. Не карбидообразующие: никель, кобальт, алюминий, медь и др., которые растворяясь в феррите или аустените значительно влияют на их свойства. Так никель придает стали высокую прочность и пластичность, повышает ударную вязкость, увеличивает прокаливаемость, понижает порог хладноломкости, уменьшает коэффициент теплового линейного расширения. Его большое содержание в стали обеспечивает аустенитную структуру при всех температурах.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 56 | Нарушение авторских прав