Методы химико термической обработки

Методы химико-термической обработки металлов являются одними из важнейших направлений изменения свойств поверхности, обеспечивая поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, теплостойкости и т.д.), а также повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмосферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости, жаростойкости, окалиностойкости и т.д.).

Методы химико-термической обработки включают две крупные группы диффузионных покрытий. Первая группа включает насыщение поверхности металлических изделий неметаллами, а также удаление неметаллов из поверхности. Такими неметаллами являются: углерод, азот, бор, водород, сера. В этой связи способы химико-термической обработки металлов и сплавов получили названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование, сульфидирование. Удаление неметаллов происходит при обезуглероживании, обезводороживании, деазотировании.

Насыщение может проводиться одним неметаллом, комплексно двумя или тремя неметаллами. Такими процессами являются: углеродоазотирование (низкотемпературное цианирование, низкотемпературная нитроцементация); азотонауглероживание (цианирование, нитроцементация); сульфоцианирование.

Вторая группа процессов включает насыщение металлами и удаление металлов из поверхности.

Такими процессами являются: алитирование (насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом), силицирование (насыщение поверхности кремнием). Насыщение возможно любых металлических материалов любыми другими металлическими веществами, в том числе, например, его можно проводить титаном, ванадием, цинком, молибденом и другими элементами. Применяют покрытия двумя или тремя металлами, а также комплексно металлами и неметаллами одновременно или последовательно. В качестве примеров можно привести хромосилицирование, хромованадирование, карбохромирование и т.д. Примером удаления металлов можно назвать обесцинкование.

Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в химически активной среде, содержащей насыщающий компонент. При этом нагрев ведут до температур, обеспечивающих развитие:

образование во внешней среде насыщающего вещества в виде легкоразлагающегося соединения или его атомарной формы;

адсорбирование поверхностью активного насыщающего вещества;

образование устойчивых межатомных связей между атомами насыщающего вещества и материала изделия с образованием твердых растворов, химических соединений, диффузии атомов в слое и развитие в нем фазовых и структурных преобразований, обеспечивающих достижение требуемого эффекта от насыщаемого изделия.

Технологические параметры конкретных процессов определяются на основе анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия между взаимодействующими компонентами.

Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20 — 0,25%). Примерами цементуемых сталей являются: 10, 15, 20, Ст.3, 20Х, 20ХН, 12ХН3А, 20Х2Н4А и др. Отдельную группу мелкозернистых легированных сталей для цементации составляют стали типа 18ХГТ, 25ХНТЦ и др. После цементации и окончательной термической обработки, заключающейся в закалке и низком отпуске, обеспечивается получение поверхностной твердости 56 – 64 НRС при сохранении вязкой сердцевины, что определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям.

Температурой цементации является 900 – 950 °С, хотя интенсивность насыщения непрерывно растет и при более высоких температурах до1147 °С. Однако такие температуры не применяются в связи с опасностью сильного роста зерна стали и нетехнологичностью процесса (низкая стойкость печного оборудования, нагревателей и технологической оснастки).

Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и иногда в расплавах солей (жидкостная цементация). Твердый карбюризатор для цементации — это гранулированный древесный уголь или полукокс, пропитанные углекислыми солями бария или натрия. Детали упаковывают в стальные ящики с карбюризатором, закрывают крышкой и для герметизации обмазывают огнеупорной глиной. Цементация в твердом карбюризаторе идет за счет неполного горения угля в герметически закрытом ящике, в котором, кроме угля и насыщаемых деталей, имеется некоторое количество кислорода из атмосферного воздуха. Неполное горение угля проходит по реакции:

2С + О = 2СО

Образовавшиеся молекулы окиси углерода являются неустойчивыми химическими соединениями, которые на металлической поверхности (железа) разлагаются, как на катализаторе, с выделением атомарного углерода:

2СО ® С + СО2

Углекислые соли бария и натрия являются своеобразными катализаторами процесса цементации в твердом карбюризаторе, поскольку они обеспечивают образование дополнительного количества окислителя при своем разложении при нагреве.

При газовой цементации в качестве карбюризаторов используют углеводородные газы, которые разлагаются в печи с образованием атомарного углерода и водорода:

Атомарный углерод адсорбируется поверхностью сначала по механизму физической адсорбции, а затем — химической, в результате чего атомы углерода входят в кристаллическую решетку железа с образованием твердого раствора (аустенита). Слой нарастает во времени: при цементации в твердом карбюризаторе по 0,1 мм/час, при газовой 0,12- 0,15 мм/час.

Концентрация углерода в поверхностном слое возрастает до предельно возможной при температуре насыщения, что определяется диаграммой фазового равновесия (см. диаграммы железо-углерод, рис.4.2, 4.3). При медленном охлаждении с температуры цементации в поверхностном слое образуется структура, соответствующая высокоуглеродистой (заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной) стали с плавным переходом к сердцевине. Слой с такой структурой еще не обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для создания этих качеств требуется окончательная термическая обработка, заключающаяся в закалке с низкотемпературным отпуском.

Существует несколько вариантов технологии окончательной термической обработки после цементации. Стали, склонные к росту зерна после цементации подвергают промежуточной закалке или нормализации с нагревом до температур 850 — 880 ˚С для измельчения зерна сердцевины деталей, с последующим нагревом под окончательную закалку до температуры 760 — 780 ˚С. Среда охлаждения при закалке определяется маркой стали. Углеродистые стали охлаждают в воде, легированные — в масле. Стали, не склонные к росту зерна при цементации (18ХГТ, 25ХГТ и др.) подвергают непосредственной ступенчатой закалке с подстуживанием. После окончательной закалки отпуск проводят при температуре 160 — 200 ˚С.

Азотирование — поверхностное насыщение стали азотом, применяется, как и цементация, преимущественно для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей машин и механизмов.

Кроме того, азотирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости материала, а также обеспечивает теплостойкость упрочненного поверхностного слоя, не разупрочняющегося при нагревах до температур 500 – 600 °С. Характер упрочнения в результате азотирования принципиально иной по сравнению с цементацией. Высокая твердость и износостойкость слоя достигается в результате образования сплошной нитридной зоны слоя на внешней поверхности изделия, а частичное упрочнение в переходной зоне за счет образования большого количества высокодисперсных очень твердых нитридов легирующих элементов, содержащихся в составе стали.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают углеродистые стали. Для повышения поверхностной твердости и износостойкости используют комплексно легированные стали, содержащие хром, молибден, алюминий и другие компоненты. Примерами таких сталей являются: 38ХМЮА, 38ХЮА, 34ХН1М и др. Азотированию подвергают наиболее ответственные детали: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, детали топливной аппаратуры. Азотированию также подвергают нержавеющие стали ферритного или аустенитного класса: 30Х13, 40Х13, 40Х14Н14В2М и др.

После азотирования не требуется проведения какой-либо термической и механической обработки. Изделия после азотирования сразу подаются на сборку. Размеры изделий при азотировании не изменяются, поэтому азотированию подвергаются готовые детали без припусков на окончательную механическую обработку. В этой же связи, свойства, которыми должна обладать сердцевина изделия, должны быть сформированы до азотирования. Поэтому заготовки для изготовления азотируемых деталей подвергают предварительной термической обработке (улучшению), включающей закалку и высокотемпературный отпуск.

Газовой средой для азотирования является аммиак, который при нагреве диссоциирует на составные части по реакции: 2 NH3 ® 2 N + 3 H2

Образующийся атомарный азот адсорбируется поверхностью, диффундирует вглубь изделия, и взаимодействует с компонентами стали (железом, хромом, молибденом, алюминием и др.) с образованием нитридов.

Азотирование для повышения износостойкости легированных сталей проводят при температуре 500 – 560 °С с выдержками от 25 до 60 часов из расчета, что 0,01 мм слоя прирастает за 1 ч выдержки. Для сталей аустенитного класса длительность выдержки удваивается.

Структура слоя содержит 2 структурные зоны: внешняя нитридная (e и g¢) и подслой (переходная зона), представляющая собой зону азотистого феррита с выделением по границам зерен прожилок третичных нитридов. Упрочнение поверхности обеспечивает только нитридная зона слоя.

Методы совместного насыщения азотом и углеродом

Совместное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом предусматривает возможность реализации двух принципиально различающихся способов в зависимости от того, какой из этих элементов является основным, а какой дополнительным.

Высокотемпературные процессы совместного насыщения напоминают по развивающимся процессам цементацию. В них насыщение идет преимущественно углеродом и в меньшей степени – азотом. Такие процессы по действующей классификации называют азотонауглероживанием.

Однако этот термин на практике не прижился. Технологии этого типа называют чаще высокотемпературным цианированием (если процесс ведется в расплавах солей, содержащих до 20 – 25 % цианистого натрия), или нитроцементацией (если проводится насыщение в газовых средах аналогично газовой цементации с дополнительной подачей в печь некоторого количества аммиака). Цианирование и нитроцементация обеспечивают получение слоя, аналогичного получаемому при цементации. Азот увеличивает прочностные свойства слоя, его износостойкость. Режимы обработки после насыщения практически совпадают с аналогичными режимами обработки после цементации.

Читать также:  Проушина для подъема груза

Температура нитроцементации или цианирования составляет 870 – 900 °С, т.е. на 30 °С ниже, чем цементации. Совместное насыщение углеродом и азотом происходит несколько быстрее, чем только углеродом, в связи с чем, длительность нитроцементации оказывается меньше, чем газовой цементации. Скорость роста слоя составляет 0,20 — 0,25 мм/ч.

Низкотемпературные процессы совместного насыщения азотом и углеродом имеют механизм, соответствующий насыщению азотом. Температура углеродоазотирования (низкотемпературного цианирования) такая же, как и при азотировании. В этом случае и природа формирующегося слоя также аналогична азотированному слою, однако дополнительная диффузия углерода в слой приводит к образованию карбонитридов вместо нитридов, что повышает прочность слоя и несколько уменьшает его хрупкость.

Основное применение низкотемпературного цианирования – дополнительное упрочнение режущего и штампового инструмента, изготовленного из быстрорежущих и других теплостойких сталей. Инструменты после окончательной термической обработки на максимальную твердость и после шлифовки и заточки насыщают при температуре 540 – 560 °С в течение 2 – 4 ч. При этом формируется тонкий (0,04 — 0,09 мм) карбонитридный слой высокой твердости и износостойкости, увеличивающий режущую стойкость инструмента в 1,5 — 2,0 раза. Термообработки после насыщения, как и после азотирования, не требуется.

Комплексное насыщение тремя неметаллами одновременно: азотом, углеродом и серой получило название сульфоцианирование. Этот процесс используется для обеспечения особого комплекса свойств поверхностей, работающих в условиях сухого трения (без смазки) при высоких удельных давлениях. В этих условиях кроме высокой износостойкости, поверхности должны обладать хорошей прирабатываемостью друг к другу при трении, и не образовывать «задиры» на поверхности. Примерами деталей, подлежащих сульфоцианированию, являются диски тормозов, тяжело нагруженные подшипники скольжения и др. Процесс ведется в жидких (солевых) или твердых средах (карбюризаторах), в которые, кроме углеродсодержащих, азотсодержащих веществ вводят сульфид железа или небольшие добавки элементарной серы. Температура процесса от 500 до 680 °С, время выдержки 5–6ч.

Формируется слой, аналогичный нитроцементованному, общей глубиной 0,05 — 0,07 мм. Внешняя зона — сульфидная, хрупкая, глубиной 0,01 — 0,02 мм с содержанием серы до 2%.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Основные теоретические положения

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий поверхностное насыщение тем или иным элементом при высокой температуре с упрочняющей термической обработкой, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и физико-химических свойств поверхностного слоя металла или сплава.

Химико-термическая обработка осуществляется путем диффузионного насыщения металла или сплава неметаллами (С, 14, В и др.) или металлами (А1, Сг, Zn и др.) при определенной температуре и активной насыщающей среде. На рис. 7.1 приведена схема общей классификации различных видов химико-термической обработки металлов и сплавов.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, задиростойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создает на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, повышая тем самым усталостную прочность, надежность и долговечность деталей машин. Наиболее широко используются процессы цементации (науглероживания), нитроцементации и азотирования. В меньшей степени применяется поверхностное насыщение бором, кремнием и металлами. Примером могут служить цементованные и азотированные шестерни, валы, втулки автомобилей, тракторов, станков, сельскохозяйственных и других машин. Большинство деталей машин работает в условиях износа, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений.

В отличие от поверхностной закалки при ХТО разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы дета-

Методы химико термической обработки

Рис. 7.1. Схема классификации химико-термической обработки лей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей.

Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

Различают следующие основные метода насыщения, применяемые при ХТО:

  • 1. Насыщение из порошковых смесей (порошковый метод). Благодаря простоте технологического процесса нашел применение в мелкосерийном и серийном производстве для цементации, алитирования (алюминирования), хромирования, бориро- вания и т.д.
  • 2. Прямоточный и циркуляционный методы диффузионного насыщения из газовых сред. Прямоточный газовый метод заключается в нагреве изделий в герметичных печах, куда постоянно подается насыщающий газ. Отработанный газ выходит из печи через специальное отверстие и, как правило, сжигается. Метод позволяет регулировать активность насыщающей атмосферы (потенциал атмосферы), широко применяется в крупносерийном и серийном производстве для цементации, нитроцементации и азотирования. Газовый метод обеспечивает высокое качество диффузионного слоя и поверхности обрабатываемого изделия. Циркуляционный метод отличается повторным использованием насыщающего газа при систематическом его восстановлении и находит все более широкое применение при насыщении металлами и кремнием.
  • 3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом или без применения электролиза). Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает высокое качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя. Применяется в серийном производстве.
  • 4. Насыщение из паст и суспензий. Эти методы не всегда обеспечивают получение равномерной толщины покрытия и поэтому в настоящее время не нашли достаточно широкого распространения. Однако насыщение из паст может быть рекомендовано для местного упрочнения поверхности и при обработке крупногабаритных деталей и инструмента (например, для упрочнения рабочей поверхности (фигуры) штампов горячего деформирования металлов), так как другими методами ХТО этого достичь просто невозможно.
  • 5. Диффузионное насыщение в вакууме. Насыщение осуществляется испарением диффундирующего элемента при высоких температурах в вакууме. Испарившиеся атомы металла в вакууме перемещаются на значительные расстояния и осаждаются на поверхностях, встречающихся на их пути. При испарении в вакууме атомы насыщающего элемента перемещаются прямолинейно до столкновения с молекулами остаточного газа. Чем глубже вакуум, тем больше длина свободного пробега атомов и выше скорость осаждения металла на обрабатываемую поверхность.

Выбор способа насыщения зависит от вида производства, габаритов обрабатываемого изделия, требуемой толщины слоя и т.д.

Химико-термическая обработка протекает многостадийно. Основными стадиями любого ХТО являются:

1. ДИССОЦИАЦИЯ — на этой стадии массопереноса следует различать два процесса: образование активных атомов в насыщающей среде в результате разложения исходных веществ:

Методы химико термической обработки

и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла. Степень распада молекул газа (в %) называется степенью диссоциации.

  • 2. АДСОРБЦИЯ (хемосорбция) — реакции на границе фаз — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры адсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса адсорбции помогает способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы.
  • 3. ДИФФУЗИЯ — проникновение адсорбированных атомов в глубь металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (сплава). Процесс возможен только при условии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую скорость диффузии.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующихся фаз: диффузия протекает быстрее при образовании твердых растворов внедрения (при насыщении углеродом или азотом, размеры атомов которых малы), чем твердых растворов замещения. Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах, длительно и несмотря на это получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом и углеродом.

Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменив- шимся химическим составом называется сердцевиной.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от концентрации диффундирующего элемента на поверхности (рис. 7.2).

С течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 7.2, а). Толщина диффузионного

Методы химико термической обработки

слоя при прочих равных условиях тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 7.2, в).

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемой детали зависит от скорости притока атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу атомов в глубь металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры увеличивает скорость процесса диффузии. Поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 7.2, б).

Известно несколько механизмов диффузии, четыре из которых основные.

Циклический (обменный) механизм. При реализации этого механизма (рис. 7.3) несколько атомов (три или более), расположенные примерно по кругу, согласованно движутся так, что все кольцо из атомов поворачивается на одно межатомное расстояние. Частным случаем циклического механизма является обменный механизм, при котором осуществляется прямой обмен мес-

Читать также:  Расшифровка марки электродов для сварки

Методы химико термической обработки

Рис. 7.3. Схема различных механизмов диффузии в металлах:

  • 1 — циклический; 2 — обменный; 3 — вакансионный; 4 — межузельный;
  • 5 — краудионный тами двух соседних атомов. Эти механизмы маловероятны в кристаллах с плотноупакованной структурой атомов, т.к. вызывают сильное искажение решетки в местах перехода атомов.

Краудионный механизм, (краудион — группа атомов, сжатая за счет наличия в ряду одного или нескольких лишних атомов, crowd — скопление). В этом случае в более или менее плотноупа- кованном ряду атомов появляется лишний атом. Каждый атом этого ряда, вплоть до отстоящих примерно на 10 межатомных расстояний от лишнего атома, смещен на некоторое расстояние от равновесного положения в решетке. Краудионная конфигурация атомов может перемещаться вдоль этого ряда. Искажение распространяется вдоль линии, и энергия смещения атомов невелика.

Межузельный механизм. В этом случае атом перемещается внутри кристалла, перескакивая из одного междоузлия в другое (рис. 7.3). Миграция по междоузлиям возможна лишь в случае диффузии малых примесей атомов, образующих твердые растворы внедрения и при скачке сравнительно мало смещающих атомы растворителя из их узлов в решетке.

Вакансионный механизм. В любой кристаллической решетке, особенно при повышенных температурах, имеются вакансии. Вакансии открывают путь для легкого осуществления процесса диффузии за счет обмена атома с вакансией (рис. 7.3). Вакансионный механизм реализуется при самодиффузии и при образовании твердых растворов замещения.

Многие процессы ХТО (алитирование, хромирование, сили- цирование и т.д.) обусловлены диффузией таких элементов, как алюминий, хром, кремний и др., образующих с железом твердые растворы замещения. Эти элементы диффундируют в железе по вакансионному механизму.

В промышленности наиболее часто применяют процессы ХТО, основанные на диффузии в железо неметаллов С, N, В. Эти элементы, имеющие малый атомный радиус, образуют с железом твердые растворы внедрения. Диффузия углерода, азота и бора протекает по межузельному механизму.

Для совершения элементарного акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер. Схемы элементарного акта диффузии по межузельному и вакансионному механизмам и потенциальная энергия кристалла в зависимости от расположения диффундирующего атома показаны на рис. 7.4 и 7.5. Макси-

Методы химико термической обработки

Рис. 7.4. Схема элементарного акта диффузии по межузельному механизму и потенциальная энергия кристалла в зависимости от расположения диффундирующего атома

Методы химико термической обработки

Рис. 7.5. Схема элементарного акта диффузии по вакансионному механизму

мальное значение энергии кристалла достигается в точке с (рис. 7.4). Увеличение энергии Ет при перемещении атома из одного междоузлия в соседнее вызвано появлением упругих напряжений, образующихся при «протаскивании» мигрирующего атома в узком пространстве между атомами растворителя.

При переходе от равновесного положения (рис. 7.5, а) в положение (рис. 7.5, в) атом 1 должен «протиснуться» между атомами 2 и 3 (рис. 7.5). В промежуточном положении (рис. 7.5, б) атомы 2 и 3 раздвинуты и в этом месте решетка обладает значительной упругой энергией. Поэтому промежуточному положению соответствует более высокий уровень энергии, чем положениям равновесия (рис. 7.5, а и в). Передвижению атома препятствуют также другие атомы, которые находятся в соседних атомных плоскостях с выше и ниже показанной на рис. 7.5.

Средняя тепловая энергия атомов Еа значительно меньше Ет. Энергию, необходимую для преодоления барьера Ет при переходе атома из одного положения в решетке в другое, принято называть энергией активации и обозначать буквой 0.

Для того чтобы диффузия стала возможной, нужна флуктуация энергии. Избыточная энергия приобретается атомом от его соседей благодаря тому, что атомы непрерывно обмениваются кинетической энергией.

В металле всегда найдется некоторое число атомов, обладающих повышенной или пониженной энергией (независимо от средних значений кинетической энергии атомов). Отдельные атомы, обладающие Е > С, могут преодолеть энергетический барьер и совершить скачок из одного положения равновесия в другое. Вероятность перескока атомов из одного положения равновесия в другое /т определяется частотой появления флуктуации, превышающих (7. Время, в течение которого атом имеет энергию, необходимую для преодоления барьера, пропорционально величине ехр<—()/1<Т).

Атом с одинаковой вероятностью может перейти в любое из равноценных соседних мест г в ближайшей координационной сфере (г — координационное число). При этом общая частота прыжков за счет флуктуации энергии в расчете на один атом будет равна Методы химико термической обработки

где у — частота колебания атомов (

10 12 Гц); с — коэффициент пропорциональности, близкий к единице.

Из уравнения (7.1) видно, что величина^ экспоненциально зависит от температуры. С увеличением температуры колебания частиц в узлах решетки усиливаются, все большая их часть получает энергию, превышающую среднюю энергию теплового движения и достаточную для того, чтобы они могли покинуть свое место в решетке и перейти в новое положение. Так, например, при комнатной температуре атом углерода, диффундирующий в решетке железа по междоузлиям, совершает один прыжок за 25 с, а при 1545 °С — 2-10 11 прыжков за с.

На образование вакансии необходимо затратить энергию 0′. Энергия активации 0 в этом случае складывается из энергии активации миграции 0" и энергии образования вакансии 0′ (0 = 0′ + 0"), а вероятность перескоков имеет вид:

Методы химико термической обработки

Поэтому энергия при диффузии по вакансионному механизму выше, чем по межузельному, а диффузионная подвижность атомов меньше. В твердых растворах вычитания диффузионное перемещение также протекает с меньшей затратой энергии, чем в твердых растворах замещения, так как в них имеются готовые вакансии в избыточном количестве.

Диффузия в поликристаллических металлах протекает значительно интенсивнее, чем в монокристаллах. Это связано с тем, что диффузия является структурно зависящим процессом и в значительной степени определяется наличием дефектов кристаллического строения металлов.

Все структурные дефекты, вакансии, границы зерен и субграницы, внешняя поверхность, дислокации и т.д. оказывают влияние на диффузионную подвижность атомов. При ХТО реализуется как объемная диффузия (в объеме каждого зерна), которая дает основной вклад в диффузионный поток, так и диффузия по границам зерен. Диффузия по границам зерен происходит с гораздо большей скоростью, чем в объеме зерна. Это объясняется тем, что высокоутловые границы независимо от их физической модели содержат повышенную концентрацию вакансий и нарушений периодичности расположения атомов, что увеличивает вероятность атомных переходов и уменьшает энергию активации диффузии.

Химико-термическая обработка (ХТО)– 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.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация –получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Методы химико термической обработки

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

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).

Назначение и технология видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации

Цементация –химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры900…950 o С.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h.=1…2мм).

Степень цементации –среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Цементация в твердом карбюризаторе.

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 в количестве10…40 %.Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре930…950 o С.

Читать также:  Предусилитель для динамического микрофона своими руками

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:

Методы химико термической обработки

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1мм затрачивается1час);

низкая производительность процесса;

сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.

Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

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.

Структура цементованного слоя

Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.

Методы химико термической обработки

Рис. 15.1. Структура цементованного слоя

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

Термическая обработка после цементации

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.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 15.2.

Методы химико термической обработки

Рис. 15.2. Режимы термической обработки цементованных изделий

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850 o С(рис. 15.2 б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 15.2 а).

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 15.2 в).

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900 o Сдля исправления структуры сердцевины.

Вторая закалка проводится с температуры 760…780 o Сдля получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180 o С.В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

Азотирование –химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции:2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

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 o С в течение24…90часов, так как скорость азотирования составляет0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет10…12 %, толщина слоя (h) –0,3…0,6мм. На поверхности получают твердость около1000HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60мин при напряжении1100…1400В и давлении0,1…0,2мм рт. ст., рабочее напряжение400…1100В, продолжительность процесса до24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700 o С, продолжительность процесса –10часов. На поверхности образуется слойМетоды химико термической обработки— фазы толщиной0,01…0,03мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. (Методы химико термической обработки–фаза – твердый раствор на основе нитрида железаFe3N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

Цианирование и нитроцементация

Цианирование– химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCNс добавками солейNаCl, BaClи др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:

Методы химико термической обработки

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование –проводится при температуре800…950 o С, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое0,2…0,6 %, толщина слоя0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридовFe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование– проводится при температуре540…600 o С, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация– газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементацияпроводится при температуре830…950 o С, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает56…62HRC.

На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

Низкотемпературной нитроцементацииподвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре530…570 o С, в течение1,5…3часов. Образуется поверхностный слой толщиной0,02…0,004мм с твердостью900…1200HV.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Диффузионная металлизвция –химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием –алитированием, кремнием –силицированием, бором –борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной метализацииметаллизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора сHClилиCL2образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная метализацияпроводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная метализация проводится вгазовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200 o С) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200 o С изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *