Химико-термическая обработка (ХТО)

Материаловедение

Группа 21

Занятие № 17

Дата: 02 ноября 2020г.

Тема занятия «Химико-термическая обработка стали и ее назначение»

Цели работы:

- изучить материал, связанный с химико-термической обработкой стали и ее назначением.

- знать краткие характеристики ТО и ХТО.

Изучение материала:

Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термической называют обработку, которая заключается в сочетании термического и химического действия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

По сравнению с поверхностной закалкой, преимуществом ХТО является более существенная разница между свойствами сердцевины и поверхности, которая при ХТО определяется разницей в строении и составе, а при поверхностной закалке – только разницей в строении слоя.

К достоинствам данного вида поверхностного упрочнения следует отнести независимость от внешней формы изделия, а также возможность устранить последствия перегрева при ХТО последующей термической обработкой.

При химико-термической обработке проходят три взаимосвязанные стадии: диссоциация, адсорбция и диффузия.

В результате диссоциации образуются активные атомы насыщающего элемента. Адсорбция есть поглощение активных атомов поверхностью металла, а диффузия – проникновение их в глубину.

Диффузия является важной стадией ХТО. При образовании твердых растворов замещения диффузия происходит по вакансионному механизму, а при образовании твердых растворов внедрения – путем диффузии между узлами кристаллической решетки. Толщина диффузионного слоя определяется температурой и длительностью процесса. Зависимость толщины от температуры носит экспоненциальный характер согласно формуле:

D = А е ,

где D - коэффициент диффузии

Q - энергия активации;

R - газовая постоянная;

T - абсолютная температура.

Зависимость толщины диффузионного слоя от длительности процесса носит параболический характер и определяется формулой:

δ = ,

где δ- толщина слоя

t - время.

Наиболее распространенными видами ХТО являются цементация, азотирование, цианирование (нитроцементация), борирование и диффузионная металлизация (насыщение при высоких температурах поверхности детали металлами).

Цементация стали

Цементацией называют процесс химико-термической обработки, который заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Основная цель цементации – получение твердого и прочного поверхностного слоя при наличии вязкой сердцевины.

Оптимальным по количеству углерода в цементированном слое является содержание, которое равняется 0,8...1,1%. При концентрации свыше 1,1% С в поверхностном слое образуется грубая цементитная сетка по границам зерен, что негативно влияет на его прочность.

Для цементации используют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%. Процесс проводят при температурах выше точки А_С3, поскольку только в аустените, образующемся при этих температурах, углерод растворяется в необходимом количестве. Обычно температура цементации составляет 910...930^оС, более высокие температуры хотя и способствуют сокращению длительности процесса, но вызывают повышенный рост зерна.

Концентрация углерода в цементированном слое уменьшается от поверхности, и после медленного охлаждения различают три зоны в его строении:

- заэвтектоидную, которая состоит из перлита и вторичного цементита;

- эвтектоидную, структура которой содержит только перлит;

- доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита, соотношение между которыми постепенно уменьшается к исходному.

Насыщающая среда называется карбюризатором. Различают цементацию в твердом и газовом карбюризаторах.

Твердым карбюризатором является древесный уголь с примесями BaCO₃, Na₂CO₃ или K₂CO₃ (10...20%), которые играют роль активаторов. При цементации детали загружают в металлический ящик и герметизируют. Между кусочками угля есть воздух, кислород которого соединяется с углеродом и образует окись углерода из-за недостаточного количества кислорода. Окись углерода при температуре процесса 900...950^оС неустойчива и при контакте с железной поверхностью разлагается по реакции: 2СО Þ СО₂ + С_ат. с образованием атомарного углерода, который поглощается поверхностью. Активаторы разлагаются по реакции: ВаСО₃ Þ ВаО + СО₂, что ведет к увеличению газа СО₂, который взаимодействует с углем карбюризатора по реакции: СО₂ + С_кар6 Þ 2СО, что, в конечном счете, увеличивает количество атомарного углерода. Скорость роста цементованного слоя составляет до 0,1 мм/час при температуре 920...930⁰С.

Вместе с простотой и стабильностью у этого вида цементации есть недостатки:

- большая длительность, которая обусловлена нагреванием металлического ящика с карбюризатором и определяется из расчета 7...9 минут на 1 см его минимального размера;

- отсутствие возможности закалки непосредственно с температуры цементации (поскольку после насыщения ящики необходимо охладить и разобрать) определяет необходимость дополнительного нагрева для проведения закалки.

Процесс газовой цементации является более производительным, поскольку скорость образования слоя составляет 0,15... 0,18 мм/час. Наиболее распространенной на машиностроительных заводах является цементация в шахтных печах. Детали размещают в герметическом контейнере (реторте), в который подают газ для цементации. В качестве газовых карбюризаторов используют пропан, бутан и метан в виде природного газа (92...96% СН₄).

Наиболее распространена цементация в природном газе. Атомарный углерод образуется при диссоциации метана: СН₄ Þ 2Н₂ + С_ат..

Непосредственно после цементации твердость поверхностного слоя имеет низкие значения (не выше 300 НВ). Для достижения высокой твердости поверхностного слоя необходимой операцией после цементации является закалка с последующим низким отпуском при 150-200^оС для снятия внутренних напряжений. После такой обработки твердость поверхности составляет 58…62 HRC, а сердцевины - 25…35 HRC.

В процессе закалки измельчается зерно, которое растет в результате длительных выдержек при высоких температурах цементации, а также устраняется карбидная сетка в цементированном слое.

В зависимости от назначения деталей используют следующие варианты термической обработки после цементации.

Для деталей, от которых требуется только поверхностная твердость, а другие механические свойства не имеют большого значения, используют закалку непосредственно с цементационного нагрева. Для снижения напряжений при закалке с цементационного нагрева предварительно проводят подстуживание на воздухе до 840…860^оС, а затем охлаждают в закалочной среде. Такая обработка не исправляет структуры цементированного слоя и сердцевины, поэтому её применяют только в тех случаях, когда детали изготовлены из наследственно мелкозернистых сталей.

При повышенных требованиях к структуре и свойствам детали после цементации охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке от температуры А_С3 + 30...50^оС и отпуску при 150…200⁰С. В результате охлаждения на воздухе зерно становится мелким в поверхностном слое и сердцевине, а нагрев выше А_С3 ведет к полному растворению сетки цементита в поверхностном слое.

Для удовлетворения особенно высоких требований к механическим свойствам цементуемых деталей используют двойную закалку с последующим низким отпуском. Первая закалка после цементации осуществляется при температуре А_С3 + 30...50^оС с целью измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки на поверхности, если она была образована при цементировании. Вторая закалка осуществляется от температуры А_С1 + 20...40^оС для формирования свойств поверхностного слоя. Полученный после такой закалки мелкогольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита обеспечивает высокую износостойкость.

Детали на цементацию поступают после механической обработки с припуском на шлифование. Если требуется цементировать отдельные участки детали, то на остальную поверхность наносят электролитическим способом тонкий слой меди.

 

Азотирование стали

 

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Основной целью азотирования является повышение поверхностной твердости и износостойкости, усталостной прочности и коррозийной стойкости.

Азотирование, в отличие от цементации, осуществляют на деталях после термической обработки (чаще всего, закалки с высокотемпературным отпуском) без допуска на последующую механическую обработку. Это объясняется тем, что азотированный слой имеет высокую твердость и не нуждается в последующей термической обработке, а размеры детали практически не изменяются.

Глубина азотирования зависит от температуры и длительности выдержки. Глубина диффузионного слоя подчиняется общей параболической зависимости. При температурах азотирования (500...600^оС) коэффициент диффузии очень мал и скорость роста азотированного слоя составляет приблизительно 0,01 мм в час. При азотировании получают слои толщиной 0,3...0,6 мм

Существует два вида азотирования: газовое – в атмосфере аммиака с нагревом в печи и ионное – в плазме тлеющего разряда.

Газовое азотирование проводят в железных герметических камерах, в которых аммиак диссоциирует по реакции: NH₃ Þ 3H + N_атом. Атомарный азот диффундирует в металл и образование фаз происходит в соответствии с метастабильной диаграммой Fe – N (рис. 17).

 

Рисунок 17 – Диаграмма состояния «железо - азот»

 

В метастабильной диаграмме Fe - N возможно образование следующих фаз:

- a-фазы (азотистого феррита, представляющего собой твердый раствор азота в Fe_a, растворимость азота в котором при 591^оС равна 0,1 %, а при комнатной температуре – 0,01%);

- g-фазы (азотистого аустенита, существующего как равновесная фаза выше эвтектоидной температуры 591⁰С с максимальной растворимостью азота, равной 2,8 %);

- g^¢-фазы (нитрида Fe₄N c ГЦК решеткой);

- e - фазы (нитрида Fe₃N с ГЦК решеткой).

Твердость a-, g- и ε-фаз и продуктов их распада не превышает 300 HV, а твердость g¢- фазы равняется 450..500 НV.

ε-фаза имеет повышенную коррозийную стойкость на воздухе и в воде.

В случае азотирования при температурах ниже эвтектоидной (500..550^оС) азотированный слой согласно диаграмме состоит из ε + g + a. Наиболее твердым является нижний a-слой, благодаря дисперсным нитридам, которые выделяются из феррита при понижении температуры в результате уменьшения растворимости. g – слой очень тонкий и чаще всего не наблюдается, а ε-слой – малопрочный и хрупкий.

При азотировании выше эвтектоидной температуры (600...650^оС) дополнительно может образовываться g-фаза. При медленном охлаждении g-фаза распадается на эвтектоид (так называемый браунит), а при быстром – превращается в мартенсит с твердостью до 700 НV.

Легирующие элементы изменяют растворимость азота в a-фазе, могут растворяться в a- и g¢- фазах, а также образуют самостоятельные нитриды. Наличие легирующих элементов не изменяет кинетику образования азотированного слоя. Нитриды легирующих элементов образуются как при температуре азотирования, так и при охлаждении от температуры азотирования в результате уменьшения растворимости азота в основных фазах.

Со многими легирующими элементами азот образует нитриды (CrN, Сr2N, ТiN, AlN и другие). Высокая твердость слоя после азотирования объясняется большой дисперсностью нитридов и их термической стойкостью против коагуляции при нагревании.

При азотировании обычной стали без легирующих элементов невозможно получить высокую твердость из-за коагуляции нитридов в процессе азотирования. Более высокая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей, которые содержат активные нитридообразующие элементы: Cr, Mo, Al, V, Ti. Такие стали называют нитраллоями. Наиболее распространенным нитраллоем является сталь 38Х2НМЮА, комплексное легирование которой позволяет получить твердость азотированного слоя до 1200 HV.

Наиболее высокие значения твердости и износостойкости азотированного слоя достигают после азотирования нитраллоев при 500-520^°С. При повышении температуры азотирования твердость слоя снижается (рис. 18).

 

 

 

Рисунок 18 - Влияние температуры азотирования на твердость нитраллоев(1), легированных среднеуглеродистых конструкционных сталей(2(, углеродистых сталей (3)

По сравнению с цементированным азотированный слой имеет большую износостойкость, но более тонкий азотированный слой выдерживает меньшие контактные нагрузки.

Азотирование обычных хромоникелевых конструкционных сталей применятся для повышения усталостной прочности, что обеспечивается наличием сжимающих напряжений на поверхности, которые возникают в результате увеличения объема поверхностного слоя при образовании фаз.

Повышение коррозийной стойкости достигается азотированием при 600…700⁰С в течение 0,5…1 часа. При этом на поверхности образуется сплошной слой ε-фазы с высокими антикоррозионными свойствами.

Ионное азотирование применяют для активации процессов, при этом общее время процесса сокращается в 2-3 раза и повышается качество слоя. Насыщение проводят в стальном контейнере, который является анодом, при напряжении до 1000 В и давлении 10...30 Па в газовой среде, содержащей азот. Обрабатываемые детали служат катодом. Под воздействием электрического поля между контейнером и деталями рабочий газ, который содержит азот, ионизируется и положительные ионы бомбардируют поверхность детали с высокой кинетической энергией. Поверхность при этом нагревается до 450...500^оС, происходит поглощение и последующая диффузия азота в глубину детали.

Ионное азотирование эффективно только в случае получения азотированного слоя малой толщины (до 0.3 мм). При азотировании на большую толщину преимущество ионного азотирования по сравнению с газовым теряется.

После ионного азотирования поверхностный слой получается менее хрупким по сравнению с газовым, что обусловлено практически полным отсутствием хрупкой ε-фазы.

 

Цианирование стали

 

Под цианированием стали понимают процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом. Азот способствует диффузии углерода и это дает возможность снизить температуру насыщения до 850...870^оС, а также длительность процесса до 4...10 часов.

Цианирование возможно проводить в твердых, жидкостных и газообразных средах, и, соответственно, различают твердое, жидкостное и газовое цианирование (последнее называют нитроцементацией).

Твердое цианирование выполняют в карбюризаторе, который содержит цианистые соли. Например, 30-40% К₄Fe (СN)₆ (желтая кровяная соль), 10%Nа₂СО₃ (сода), остальное – древесный уголь). Из-за малой производительности этот способ применяется очень редко.

Жидкостное цианирование проводят в расплавах цианистых солей NаСN, КСN, которые при распаде образуют атомарный углерод и азот, для насыщения стали.

Газовое цианирование проводят в смеси газов (аммиак, природный газ), которые диссоциируют с образованием активных атомов углерода и азота. Повышение температуры цианирования увеличивает содержание углерода в слое и уменьшает содержание азота.

Низкотемпературное цианирование проводят при 500…600^оС, высокотемпературное цианирование проводят при 800…950^оС с последующей закалкой и низким отпуском,

После низкотемпературного цианирования образуется карбонитридный слой толщиной 10…15 мкм, который имеет высокое сопротивление износу и менее хрупкий, по сравнению с цементованным и азотированным слоями. Под этим слоем лежит слой азотистого феррита (в легированных сталях твердость 600…1000 НV) глубиной 0,2…0,5 мм. Низкотемпературное цианирование используют для быстрорежущих, легированных и углеродистых сталей (последнее получило название «тенифер-процесс» и включает насыщение при 570^оС на протяжении 0,5…3 часов в смеси солей 40% KCN + 60% NaCH пропусканием сухого воздуха).

Высокотемпературное цианирование используют для средне- и низкоуглеродистых и легированных сталей и осуществляют в расплавах, содержащих до 50% NaCN, до 50% NaCl, до 20% Na₂СО₃. При температуре процесса 820…850^оС получают слои 0,15…0,35 мм за 30…90 мин. Для получения слоев толщиной 0,5…2,0 мм применяют цианирование при температуре 900…950^оС продолжительностью 1,5…6 чаовс. В первом случае осуществляют закалку сразу же, а во втором – детали охлаждают на воздухе, а затем осуществляют нагрев под закалку, при котором происходит перекристаллизация и измельчение зерна аустенита, которое вырастает из-за высокой температуры процесса цианирования.

Нитроцементацию осуществляют при температуре 840…860^оС в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака, иногда применяют жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С₂Н₅О)₃N, который в виде капель вводят в рабочее пространство шахтной печи. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1…10 часов. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм. После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160…180^оС.

По сравнению с цементированным, цианированный слой имеет более высокое сопротивление износу, большую твердость, лучшее сопротивление коррозии, более высокий предел выносливости в результате образования на поверхности остаточных напряжений сжатия.

Иногда детали нагревают в ваннах для цианирования без выдержки с целью получения товарного вида.

 

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали разнообразными металлами.

При насыщении Al, Cr, Si, и др. этот процесс называется, соответственно, алитированием, хромированием, силицированием и др. Комбинированные процессы, которые заключаются в одновременном насыщении хромом, алюминием, бором и т. д., называют хромоалитированием, бороалитированием и т. д.

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. Поэтому при диффузионной металлизации слои получаются в десятки раз более тонкими.

Алитирование, т. е. диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов алюминием, осуществляется с целью повышения жаростойкости, коррозийной и эрозийной стойкости. В настоящее время алитированию подвергают углеродистые и легированные стали, чугуны, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, титан, медь и другие материалы. Наиболее распространено алитирование в порошковых смесях.

Смеси содержат: порошок алюминия или алюминиевосодержащие сплавы в качестве источников алюминия; порошок хлористого аммония или другого вещества в качестве активатора процесса; порошок окиси алюминия или каолина (в качестве инертных добавок, которые предотвращают спекание частиц алюминия и ферросплавов).

Один из составов насыщающей смеси: 49% Al, 49% Al₂O₃, 2% NHCl.

Детали, предварительно очищенные от следов окалины и других загрязнений, загружают в контейнеры, нагревают до температур 850...1000^оС и выдерживают в течение 3…12 часов для получения слоя толщиной от 0,3 до 0,6 мм. По окончании выдержки контейнеры с деталями охлаждают вместе с печью или на воздухе.

Поверхностная концентрация алюминия в зависимости от режима насыщения составляет 40…50%. При этом жаростойкость стали 10 при температуре 800^оС повышается в 15-20 раз, при 900^оС – в 7-10 раз, при 950^оС – в 5 раз. Твердость алитированного слоя плавно изменяется от поверхности к сердцевине – от Н₅₀ = 7350 до Н₅₀ = 1900 МПа.

Алитированные слои хорошо противостоят:

- коррозии в 50%-м водном растворе азотной кислоты, в парах соленой воды, однако неустойчивы в 50%-х водных растворах серной и соляной кислот;

- окислению при 900^оС даже после деформации в горячем состоянии;

- окислению и разрушению при многократном и кратковременном нагревании в восстановительной среде с промежуточным охлаждением на воздухе;

- износу при работе стали без смазочных материалов.

Хромирование проводят с целью повышения коррозионной стойкости, кислостойкости, окалиностойкости. При хромировании средне- и высокоуглеродистых сталей повышается их твердость и изностойкость.

Хромирование чаще всего производят в порошкообразных смесях, содержащих металлический хром или феррохром, окись алюминия и хлористый аммоний. Процесс осуществляется при температуре 1000…1050^оС в течение 6…15 часов с получением слоя толщиной 0,015…0,020 мм. При увеличении содержания углерода толщина слоя уменьшается.

При хромировании сталей образуется слой, состоящий из карбидов хрома (Fe,Cr)₇C₃, (Fe,Cr)₂₃C₆. Карбидный слой обладает высокой твердостью до 13 000МПа. Под слоем карбидов находится переходной слой с содержанием углерода до 0,8%.

Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей и т. п.

Борирование, т. е. насыщение поверхности стали бором осуществляется для повышения поверхностной твердости, износостойкости (главным образом абразивной) и теплостойкости. Глубина борированного слоя не превышает 0,15 мм, его поверхностная твердость доходит до 18 000 МПа. Борирование можно осуществлять в порошковых смесях, газовых и жидкостных средах.

Перед борированием детали очищают от следов окалины, ржавчины, масла и других загрязнений. Механическую обработку изделий, подлежащих борированию, необходимо проводить с учетом увеличения их размеров в процессе насыщения.

Борирование в порошковых смесях осуществляют в герметических контейнерах в смеси порошка карбида бора (В₄C) с добавлением 0,5…1% NH₄Cl при температуре 950…1000°С в течение 3…6 часов с последующим охлаждением с печью. Борированный слой состоит из 2 зон: зоны боридов – химических соединений железа с бором (FеB, Fе₂В) и переходной зоны – твердого раствора бора в железе. Борированный слой имеет характерное игольчатое строение. Легирующие элементы в сталях не образуют собственных боридов, а легируют бориды железа и уменьшают толщину переходной зоны.

Газовое борирование осуществляют путем разложения (при температуре процесса) газообразных соединений бора.

Оптимальными считаются температуры борирования при 800…950⁰С в течение 3…6 часов. По окончании процесса насыщения закалку целесообразно проводить непосредственно с температуры борирования.

Электролизное борирование проводят в расплаве буры при температуре 880…980^оС в течение 2…5 часов. По окончании выдержки детали из ванной выгружают и подвергают непосредственно закалке или охлаждению на воздухе. От остатков расплава детали очищают кипячением в воде.

Борирование из обмазок применяют при необходимости упрочнения крупногабаритных изделий или для местного борирования отдельных участков деталей. Применяют двухслойные обмазки: первый слой – активная обмазка (80% В₄Cl + 20% Na₃AlFe), второй слой – защитная обмазка с использованием графита. После просушки 1-ой и 2-ой прослойки обмазок проводят режим борирования при 800…1050⁰С в течение 2…4 часов, потом проводят закалку или охлаждение на воздухе или с печью.

 

Домашнее задание:

На основе данного материала выписать в тетрадь краткие характеристики процессов термической обработки и химико-термической обработки: искусственное старение, поверхностная закалка, диффузная металлизация, гальванические покрытия. На основе данного материала выписать определения: закаливаемость и прокаливаемость стали.

Форма отчетности: прислать скан выполненной работы на эл. адрес:

nesterova.911@yandex.ru