A A A K K K
для людей з обмеженими можливостями
.

Тема: Термічна обробка залізовуглецевих сплавів Урок №1 (продовження)

Дата: 31.03.2020 12:20
Кількість переглядів: 95

Нітроцементація і ціанування сталі

   Нітроцементація або ціанування сталі - процеси хіміко-термічної обробки, які полягають у високотемпературному насиченні поверхні виробу азотом і вуглецем. Причому процес спільного насичення поверхні азотом і вуглецем в рідких ваннах прийнято називати ціануванням, а насичення в газоподібних середовищах - нитроцементацией,

   Процес нітроцементації зазвичай ведуть при температурах 820-860 ° С в середовищах ендогазов і ендоекзогазов з добавками природного газу (метану) і аміаку. Чим більше товщина необхідного шару насичення, тим менше має бути зміст аміаку і метану і вище температура хіміко-термічної обробки. Для отримання шару завтовшки близько 0,2 мм при температурі нітроцементації 800-820 ° С в атмосферу печі додають 6-15% аміаку і близько 5% метану. Для отримання шару 0,5-1,0 мм температура нітроцементації підвищується до 860-880 ° С, а вміст аміаку і метану знижуються відповідно до 0,6-1,3% і 0,5-0,8%.

   Основне призначення процесу нітроцементації - підвищення твердості, контактної витривалості, зносостійкості і межі витривалості виробів. Основний температурою процесу вважається 860 ° С. За оптимальних умов насичення структура нітроцементованного шару складається з мартенситу, невеликої кількості рівномірно розподілених частинок карбонитридов і 25-30% залишкового аустеніту, що забезпечує хорошу прірабативаемость. Зміст вуглецю на поверхні становить 0,7-0,9%, азоту - 0,3-0,4%. Ефективна товщина насичуємо шару не повинна перевищувати 1 мм, так як при більшій товщині в структурі шару з'являються фази, що різко знижують межа витривалості та контактну витривалість матеріалу.

   Ціанування проводять при температурах від 800 до 950 ° С в розплавах, які містять ціанисті солі, причому з підвищенням температури хіміко-термічної обробки частка вуглецю в шарі зростає, а азоту - знижується. Структура насиченого шару після ціанування виявляється аналогічній структурі шару після нітроцементації. 

   Ціанування застосовується для виробів з низьковуглецевих і низьколегованих сталей і використовують для підвищення їх поверхневої твердості, зносостійкості, межі витривалості при згині і контактної витривалості.

   Серед головних достоїнств ціанування - відносно невелика тривалість процесу хіміко-термічної обробки, малі деформації і викривлення деталі в ході процесу насичення, малі втрати тепла. Головним же недоліком процесу ціанування є висока токсичність застосовуваних розплавів і, отже, існують екологічні проблеми. Звідси випливає необхідність будівництва ізольованих приміщень, установлення в них систем вентиляції та очищення повітря.

   Термічну обробку виробів після ціанування - загартування - проводять безпосередньо з ванн, а потім дають низький відпустку при температурах порядку 180-200 ° С. Твердість насиченого шару після термічної обробки знаходиться в межах 58-64 HRCЕ.

   Основними дефектами процесів насичення поверхневих шарів виробів вуглецем і азотом є відшаровування; грубозернистий злам і крихкість; Магк поверхню; вкрай мала товщина насиченою плівки і зниження твердості; підвищена крихкість.

   Відшаровування. Це явище, в основному, властиве насичення поверхні сталі вуглецем і пов'язано з дуже низькою температурою цементації, коли вміст вуглецю у напрямку до серцевині вирівнюється дуже повільно або при дуже швидкому нагріві, коли вміст вуглецю дуже різко знижується в міру віддалення від поверхні виробу. Такі різкі переходи, а також дуже велике зерно в зовнішній зоні викликають (за рахунок виникнення напружень відриву) відділення цементованного шару від серцевини вироби у вигляді відшаровується оболонки.

   Грубозернистий злам і крихкість. Грубозернистого цементованного шару може бути обумовлена ??перегрівом або перетримкою при загартуванню, а також надлишком вуглецю в поверхні виробу з-за дуже високої або коливається температури цементації. Ці дефекти можуть бути усунуті повторної загартуванням. Грубозернистого серцевини може бути обумовлена ??загартуванням з температури цементації при відсутності подальшого подрібнення зерна, занадто низькою температурою загартування, при використанні вуглецевих і низьколегованих сталей - завищеними розмірами деталей, що призводить до недостатньої прокаливаемости серцевини.

   М'яка поверхня. М'які плями на поверхні цементованних виробів можуть бути зумовлені низкою порушень процесу цементації, наприклад, виникненням порожнеч (у відсутності карбюризатора) при набиванні деталей у цементаційний ящик, а при газовій цементації - виникненням на поверхні деталі кірки графіту. Іншими причинами локального зниження твердості цементованного шару можуть бути дефекти гарту, пов'язані з зневуглецювання, недостатньою швидкістю охолодження або виникнення парової сорочки при охолодженні з температури гарту. Для вуглецевих сталей, що характеризуються малою закаліваемостью, такий дефект може бути усунутий підвищенням швидкості охолодження при гартуванні, наприклад, охолодженням деталі в розчинах солей.

   Суцільна м'яка плівка може утворитися на поверхні високолегованих сталей при їх переуглерожіваніі за рахунок утворення при нагріванні під загартування поверхневого шару аустеніту, що зберігається до кімнатних температур. Для усунення такого дефекту необхідно провести гомогенізацію і знизити температуру гарту вироби.

   У разі азотування виробів м'яка поверхня або м'які плями на поверхні можуть викликатися азотуванням незнежирених деталей.

   Підвищена крихкість і схильність до викришування азотированного шару може бути пов'язана з азотуванням обезуглероженной поверхні, яка могла утворитися на деталі в процесі гарячої обробки тиском, термічної обробки. Такий шар повинен бути вилучений за допомогою механічної обробки. Також слід мати на увазі, що твердість поверхні при азотуванні трохи нижче твердості шару, що лежить безпосередньо під поверхнею, тому при азотуванні високонавантажених деталей рекомендується провести видалення поверхневого шару азотированного шліфуванням і притиранням до збірки конструкції.

   Порушення температурного режиму при азотуванні також можуть призвести до виникнення низки дефектів на насиченою поверхні виробу. Так, дуже низька температура процесу дає вкрай малу товщину насиченою плівки, причому такий дефект не виявити звичайними методами контролю (перевіркою твердості азотированного шару), однак він украй негативно відбивається на експлуатаційних властивостях вироби. Подібний дефект може бути усунутий повторним азотуванням при правильній температурі процесу. Завищені температури азотування застосовні тільки для швидкорізальних і нержавіючих сталей, в інших випадках вони приводять до зниження твердості поверхні, яка вже не може бути відновлена ??повторними азотування.

 

Борування та силіціювання сталі

   Борування - процес хіміко-термічної обробки, що складається в дифузійному насиченні поверхневого шару сталі бором при високотемпературній витримці у відповідних насичують середовищах. Це один з найбільш ефективних і універсальних процесів хіміко-термічної обробки. Борирование можуть піддаватися сталі перлітного, феритного і аустенітного класів.

   Борування може здійснюватися в твердих, рідких (електролізне і безелектролізное борирование) і газоподібних середовищах. При борировании у твердих середовищах, оброблювані деталі містяться в герметично закриваються контейнери, звані борізаторамі. Процес твердофазного борування, або борування в порошкових середовищах, здійснюється у вакуумі або водневих середовищах. Жидкофазная (безелектролізное) борирование застосовують тільки у випадку обробки деталей складної конфігурації, а електролізне, як більш економічне широко використовується для широкого спектру виробів простих форм різного призначення. Як анода при електролізному борировании застосовують графітові стрижні, напруга постійного струму в процесі борування коливається в межах 6-24 В. Найбільш низькотемпературним процесом борування є хіміко-термічна обробка деталей в газоподібних середовищах, проте вибухонебезпечність і токсичність застосовуваних середовищ обмежує можливості цього, безумовно прогресивного , способу хіміко-термічної обробки.

   Борування застосовують для підвищення зносостійкості поверхневого шару сталевого вироби, зокрема, при підвищених температурах, підвищення його твердості і зносостійкості. Вироби, які зазнали борування, мають підвищену до 800 ° С окаліностойкості і теплостійкістю до 900-950 ° С. Твердість борованого шару в сталях перлітного класу становить 15 000-20 000 МПа.

   Вуглець в процесі борування відтісняється від поверхні стали і в насичуємо зоні утворюється зона суцільних боридів, хімічний склад форма і структура яких безпосередньо залежить від хімічного складу сталі. Вуглець і легуючі елементи зменшують глибину насичуємо шару, чим вище їх зміст, тим менша глибина борування.

   Вуглець, витіснений з поверхневого шару, утворює власну зону підвищеної концентрації, яка розташовується безпосередньо за шаром боридів. По ширині така зона виявляється значно ширше борідной і її розміри визначаються наявністю або відсутністю в сталі карбидообразующие елементів. Карбидообразующие елементи, різко знижуючи швидкість дифузії вуглецю, зменшують ширину шару з підвищеним вмістом вуглецю, некарбідообразующіе практично не впливають на її розміри.

   У ряді випадків виконується багатокомпонентне борирование, коли спільно з насиченням бором додатково проводиться насичення поверхні деталі іншими елементами - хромом, алюмінієм, кремнієм і т. д. таке насичення проводиться для підвищення корозійної стійкості і зносостійкості поверхневого шару деталі, проте, отримані результати підвищення стійкості не такі великі, щоб ці процеси знайшли широке поширення.

   Силіціювання - процес хіміко-термічної обробки, що складається у високотемпературному (950-1100 ° С) насиченні поверхні стали кремнієм. Силіціювання підвищує корозійну стійкість сталі в різних агресивних середовищах - морській воді, розчинах кислот, збільшує окаліностойкость виробів до 800-1000 ° С. У ряді випадків силицирование використовується для додання деталі антифрикційних властивостей. Силіціювання може проводитися в газоподібних і рідких середовищах як електролізним, так і безелектролізним методом.

 

Дифузійна металізація стали

   Насичення поверхні стали металами в ході їх високотемпературної хіміко-термічної обробки у відповідних насичують середовищах називається дифузійної металізацією. Метою такого виду хіміко-термічної обробки є зміна складу, структури і властивостей поверхневого шару сталі шляхом введення в нього таких металів, як хромалюмінійцинквольфрам, ванадій, ніобій. Дифузійна металізація, в залежності від насичує елемента, може проводитися в діапазоні температур від 1400 до 700 ° С. Технічне виконання цього виду хіміко-термічної обробки може бути ви виконане рядом способів, наприклад, зануренням оброблюваної деталі в ванну з розплавленим металом. Такий метод застосуємо в тому випадку, коли температура плавлення насичує металу виявляється значно нижче температури плавлення сталі. У разі необхідності насичення поверхні сталевої деталі тугоплавкими металами можливе використання занурення деталі в розплави солей насичує металу, насичення поверхні деталі з газової фази, що складається галогенідів диффундирующего металу, дифузії насичує металу шляхом його випаровування з сублімованої фази, методу циркуляційного газового насичення і т. п.

    Подібна хіміко-термічна обробка може включати в себе як насичення лише одним елементом, наприклад, насичення поверхні деталі хромом - хромування, насичення алюмінієм - алітування, так і насичення групою металів - хромоалітірованіе (одночасно-ное насичення хромом та алюмінієм), одночасне насичення поверхні деталі металами і неметалами - карбохромірованіе (насичення поверхні вуглецем і хромом). Спільне насичення поверхні деталі поруч елементів може проводитися як одночасно, так і послідовно.

   У результаті дифузійної металізації в поверхні стали виникають шари високолегованих твердих розчинів дифундують елементів в залозі, створюючи принципово інші фізико-хімічні властивості поверхневих, захисних шарів виробу.

 

Алітірованія

   Алітірованія - називається режим хіміко-термічної обробки, що складається в насиченні поверхні стали алюмінієм у відповідних насичують середовищах. Як правило алітування проводиться при температурах 700-1100 ° С. Метою алітірованія є підвищення окаліностойкості виробів (до 800-900 ° С), корозійної стійкості в атмосферних умовах і морській воді.

   В основному, алітірованія піддаються маловуглецеві сталі (так як вуглець різко знижує глибину алітірованного шару. При алітірованія протягом 12 год при 1100 ° С у сталі з 0,06% вуглецю товщина шару складає 1 мм, у сталі з 0,38% вуглецю - менше 0,9 мм, при температурі 850 ° С - 0,17 і 0,14 мм відповідно). Зміст алюмінію в насиченому шарі може досягати 40-50%, однак при перевищенні його концентрації 30% наголошується підвищена крихкість шару і для вирівнювання його концентрації по перетину поверхневого шару зазвичай виконується термічна обробка.

   Так як вуглець практично не розчиняється у алітірованном шарі, то він відтісняється вглиб від поверхні деталі, утворюючи під насиченим алюмінієм шаром зону, збагачену вуглецем.

Хромування

   Хромування - спосіб хіміко-термічної обробки, що складається у високотемпературному (900-1300 ° С) дифузійному насиченні поверхні оброблюваної деталі хромом у насичують середовищах з метою додання їй жаростійкості (до 800 ° С), корозійної стійкості в прісній і морській воді, розчинах солей і кислот, ерозійної стійкості. Дифузійне насичення поверхні стали хромом, також зменшує швидкість повзучості матеріалу підвищує його опір термічних ударів. Хромування також підвищує межу витривалості сталі при кімнатних і підвищених температурах, що пов'язано з виникненням у шарі стискаючих напруг.

   Хромуванню піддаються сталі різних класів - феритних, перлітним і аустенітних, сталей різного призначення.

   Структура хромованого шару безпосередньо залежить від вмісту в сталі вуглецю. Якщо в маловуглецевих сталях цей шар зазвичай складається з твердого розчину заміщення хрому в a-залозі, то у випадку високовуглецевих матеріалів може утворюватися шар карбідів, що складається, наприклад, для сталей з 0,8-1,0% вуглецю з карбідів Сr23С6, розташованих в верхніх шарах насиченою хромом поверхні і карбіду Cr7С3 лежить нижче. Під карбідним шарами розташовується евтектоїдних шар, що складається з троостита і карбіду Cr7С3. Крім вуглецю на параметри хромованого шару впливає легуючий комплекс сталі. Всі карбидообразующие елементи - вольфрам, молібдентитан, ванадій і т. д. - збільшують глибину хромованого шару; елементи, що розширюють аустенітних область, - нікель, кобальт - зменшують глибину хромування. Це пов'язано з особливостями дифузії хрому в a-Fe і g-Fe. З одного боку, швидкість дифузії атомів хрому в a-залозі значно вище, ніж в аустеніт, з іншого, - при легуванні вольфрамоммолібденом і іншими карбидообразующие елементами вміст хрому в сталі у вихідному, до хіміко-термічної обробки, стан перевершує його концентрацію в сталях вуглецевих або легованих, наприклад тільки нікелем.

   Твердість насиченою хромом поверхні у середньо-і високовуглецевих сталей, тобто тоді, коли хром в поверхні знаходиться у вигляді шару карбідів, становить 12 000-13 000 МПа. Твердість хромованого шару у низьковуглецевих сталей, коли хром знаходиться в твердому розчині, не перевищує 1500-3000 МПа.

Вакуумне хромування проводиться шляхом осадження парів хрому на поверхню оброблюваної деталі розігрітій до температур 1000-1100 ° С при залишковому тиску 10-2-10-3 мм рт. ст. Цей метод привабливий тим, що не вимагає в ході хіміко-термічної обробки застосування агресивних речовин, дозволяє отримувати найбільш високоякісні поверхні деталей і може застосовуватися для виробництва деталей відповідального призначення.

   Газове неконтактні хромування ведеться в ретортах, в печах з обертовою ретортою або шахтних печах, у спеціальних контейнерах з нагріванням у звичайних нагрівальних печах. Нагрівання деталей здійснюється до температур порядку 1000-1100 ° С у нейтральній чи відновлювальному середовищі або вакуумі при залишковому тиску 10-3-10-5 мм рт. ст. У процесі хіміко-термічної обробки через шар порошкоподібного хрому або ферохрому пропускають соляну кислоту НСl або (НСl + Н2), або газоподібний Сl2 - хромування здійснюється за рахунок перенесення атомів хрому з'єднанням СrСl2. Крім хлориду хрому можуть бути використані його інші галогеніди, зокрема, однієї з кращих середовищ для газового хромування вважається йодид хрому - CrI2.

   Крім однокомпонентного насичення поверхні стали хромом досить широке застосування знайшли процеси спільного насичення: вуглецем і хромом - карбохромірованіе, хромом і кремнієм - хромосіліцірованіе, хромом і алюмінієм - хромоалітірованіе.

   Карбохромірованіе - це процес послідовного насичення поверхні деталі вуглецем, а потім хромом, що сприяє підвищенню твердості, зносо-та жароміцності, корозійної стійкості матеріалу. Режими і способи даної хіміко-термічної обробки відповід-обхідних документів режимам і способам цементації і хромування виробів.

Хромосіліцірованіе - це одночасне насичення поверхні деталі хромом і кремнієм. Температура хромосіліцірованія становить, в залежності від складу оброблюваного матеріалу і способу хромосіліцірованія, 900-1200 ° С. Деталі, які зазнали хромосіліцірованію, в порівнянні з хромованими деталями, мають підвищену окаліностойкості і кислотостойкостью, підвищеним опором ерозії в області високих температур.

   Хромоалітірованіе - це спільне або послідовне насичення поверхні деталі хромом та алюмінієм. Температура процесу перебуває у межах 900-1200 ° С. Хромоалітірованіе проводиться для створення в поверхні деталі шарів з підвищеною, по відношенню до хромованих деталей, жаростійкістю, що досягає 900 ° С, і ерозійної стійкістю. У залежності від вимог, що пред'являються до оброблюваного виробу, і змінюючи склад насичує середовища, можливе отримання хромоалітірованних шарів у різними співвідношеннями в концентраціях дифундують елементів.

 

Тітанірованіє

   Тітанірованіє - процес дифузійного насичення поверхні сталей титаном. Насичення здійснюється при температурах порядку 1100 ° С, глибина насичення зазвичай не перевищує 0,3 мм. За допомогою Тітанірованіє сталевим деталей надається виключно висока корозійна стійкість, характерна для титану головним чином в середовищах різних кислот. Тітанірованіє може проводитися у твердих (порошкоподібних), рідких і газоподібних насичують середовищах. Процес за технологічними і хімічним особливостям близький до хромуванню - так само, як при хромуванні, в поверхневих шарах маловуглецевих сталей в процесі насичення їх титаном створюється a-твердий розчин титану в залізі, який містить до 30% титану. Також можливе утворення в поверхневому шарі сталей интерметаллидное з'єднання TiFе2. У сталях з високим вмістом вуглецю у поверхневих шарах додатково утворюються карбідні з'єднання, що різко підвищують твердість насиченого шару.

 

Цинкування

   Цинкування - процес дифузійного насичення поверхні деталі цинком. Хіміко-термічні методи цинкування включають в себе гаряче цинкування або цинкування зануренням, цинкування в порошку цинку - шерардізація, цинкування в парах цинку. Крім цих методів використовується електролітичне цинкування, металізація напиленням і нанесення цинкоутримуючий фарб. Цинкування - процес, що сприяє різкому підвищенню корозійної стійкості. Підвищення корозійної стійкості при цинкування сталевих деталей досягається за рахунок двох хімічних процесів: цинк, по відношенню до заліза будучи електропозитивних металом, гальмує корозію поверхні деталі. Під впливом атмосферної вологи на цинкував поверхні сталевої деталі утворюється шар карбонатів і оксидів цинку, який надає також захисну дію. Температура цинкування залежить від способу проведення операції. Так, при цинкування в порошках температура процесу коливається в межах 370-430 ° С, при цинкування зануренням - 430-470 ° С. Також широкий інтервал часів витягів при цинкування. Якщо при цинкування в порошкових сумішах шар товщиною близько 0,1 мм досягається в середньому за 10 годин, то при цинкування зануренням товщину шару в 0,3 мм отримують в перші 10 секунд процесу.

    Цинкування в парах цинку здійснюється в відновному середовищі водню при температурах 850-880 ° С і тиску близько 80 мм водяного стовпа. Час такого процесу досить велика і зазвичай складає десятки годин. Товщина отриманих шарів звичайно не перевищує 0,1-0,2 мм.

    У залежності від режиму насичення в дифузійному шарі на поверхні заліза може утворитися η-фаза (твердий розчин заліза в цинку), далі шар интерметаллидное фаз FeZn13, FeZn7, Fe3Zn10, а ближче до серцевини - твердий розчин цинку в залозі.

Для підвищення корозійної стійкості різних виробів (листи, труби, дріт, посуд, апаратура для отримання спиртів, холодильників, газових компресорів і т. д.) частіше застосовують цинкування шляхом занурення виробів в розплав цинку.

 

Контрольні питання для самопідготовки

 

     1. Які лінії на діаграмі стану “залізо-вуглець” позначаються як А1, А2, А3, А4, Аcm ?

2. Які є види термічної обробки для сталей?

3. Які види відпалу сталей ви знаєте?

4. З якою метою призначають повний відпал доевтектоїдних сталей? До яких температур нагрівають ці сталі при повному відпалі?


« повернутися

Код для вставки на сайт

Вхід для адміністратора