Химико – термическая обработка металлов Ø Цементация Ø Борирование Томск - 2013
2 Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В результате ХТО формируется диффузионный слой, т. е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. ХТО применяют с целью: • поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионноусталостной прочности, сопротивления кавитации и т. д. ); • сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах; • придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т. д. ); • облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др. ).
3 В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки: • однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием; • многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т. д.
4 Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0. 2 % C) и легированные стали После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений. Способы цементации: • в твёрдом карбюризаторе; • в газовом карбюризаторе; • в кипящем слое; • в растворах электролитов; • в пастах. ,
5 Цементация в твёрдом карбюризаторе В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3, 5 -10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. Стандартный режим: 900 -950 градусов, 1 час выдержки на 0, 1 мм толщины цементированого слоя Для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов. При "ускоренном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией. металла
6 Цементация в газовом карбюризаторе Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями. В случае с газовой цементацией: • можно получить заданную концентрацию углерода в слое; • сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; • обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.
7 Цементация в кипящем слое Цементация в слое мелких частиц (0, 05 -0, 20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана (кипящий слой). При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой). Цементация в пастах Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующем нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6 -8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910 -1050°С
8 Цементация в растворах электролитов Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450– 1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит кроме электропроводящего компонента вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).
9 Борирование — процесс насыщения поверхностного слоя детали бором. Назначение борирования — повысить твердость, сопротивление абразивному износу и коррозии в агрессивных средах, теплостойкость и жаростойкость стальных деталей при температурах ниже 850 °C. Тысячные доли бора увеличивают износостойкость стали в 2 раза. Детали, подвергаемые борированию, должны иметь чистую поверхность. Окалину и ржавчину удаляют дробеструйной обработкой. Существует четыре метода борирования: v Жидкостное электролизное (внедрено в производство) v Газовое борирование (опробовано в лабораторных условиях) v Твёрдое (или порошковое) борирование v Борирование в обмазках (пастах)
10 Жидкостное электролизное борирование В тигель с расплавленной бурой помещают обрабатываемую деталь (катод) и графитовый стержень (анод), через которые пропускают постоянный ток для создания процесса электролиза. Оптимальная температура борирования 920— 950° С. Основным оборудованием являются печи-ванны с электрическим или газовым обогревом. Образующийся атомарный бор диффундирует в поверхность детали. Оптимальный режим борирования: плотность тока на катоде 0, 15— 0, 20 А/см 2, напряжение 2— 14 В, температура 930— 950° С, выдержка 2— 4 ч; при этом получается диффузионный слой толщиной 0, 15— 0, 35 мм.
11 Обрабатываемые детали помещают в ванну в специальных приспособлениях-держателях. По окончании процесса ток выключают, детали вынимают и охлаждают на воздухе до 60— 80° С; для растворения налипшей буры детали кипятят в воде в течение 1— 2 ч. В процессе борирования расплавленная бура выгорает, уносится из ванны вместе со шлаком и деталями, поэтому необходима систематическая добавка буры в ванну. После борирования детали подвергают в большинстве случаев закалке и отпуску для упрочнения сердцевины, так как наличие вязкой сердцевины может привести в процессе работы к продавливанию борированного слоя. Рекомендуется проводить непосредственную закалку с температуры борирования с подстуживанием или без подстуживания. Температура отпуска определяется условиями работы сердцевины, так как отпуск не влияет на свойства борированного слоя. Повышение температуры приводит к уменьшению срока службы оборудования, увеличению расхода сырья и ухудшает структуру основного металла. Понижение температуры уменьшает скорость диффузии и замедляет процесс борирования.
12 Основные дефекты: 1. местное оплавление (детали расположены близко к графитовому электроду), 2. разъедание поверхности, 3. волосные трещины (повышенная плотность тока и неправильное охлаждение). Недостатки электролизного борирования: 1. низкая стойкость тиглей в результате разъедания их бурой, 2. невозможность обработки деталей сложной формы, 3. засорение расплавленной буры кусками электродов, что приводит к замыканию деталей с электродом.
13 Газовое борирование — более совершенный метод насыщения бором. Оно проводится в активных газовых средах и при более низких температурах. Но применяемые газовые смеси токсичны и взрывоопасны, что и ограничивает применение газового борирования. Газовое борирование проводят при термической диссоциации газообразных соединений бора – диборана В 2 Н 6, трёххлористого бора BCl 3 и других, обычно в смеси с водородом. Замена водорода азотом или аммиаком уменьшает скорость процесса, но уменьшает и его взрывоопасность, поэтому такую замену следует считать целесообразной. На стальных изделиях слой боридов толщиной 0, 1– 0, 2 мм при температуре 800– 900 o. С образуется за 2– 5 ч. Борированный слой обладает высокой твёрдостью (HV 1 800– 2 000) и состоит, как правило, из двух фаз – моноборида Fe. B (16, 25 % В) и борида Fe 2 B (8, 48 % В).
14 Достоинство – упрочнение изделий сложных форм. Недостатки: 1. Связан с токсичностью и агрессивностью борсодержащих газов 2. Установка для газового борирования должна быть надежно герметизирована. Учитывая высокую агрессивность борсодержащих газов, такая герметизация связана с большими трудностями 3. Борсодержащие газы дефицитны и дороги.
15 Твёрдое (или порошковое) борирование Твёрдое борирование проводят в контейнерах в порошковых смесях, содержащих порошкообразный боризатор (аморфный бор, карбид бора, ферробор и другие соединения) и специальные добавки. Для получения борированного слоя толщиной 0, 1– 0, 3 мм на сталях насыщение осуществляют при 900– 1 100 o. С в течение 5– 6 ч. После истечения времени выдержки контейнеры выгружают из печи, охлаждают на воздухе и распаковывают. С целью устранения припекания смеси к поверхности деталей рекомендуется их извлекать из контейнера при температуре не ниже 80°С. Разновидностью твёрдого борирования является вакуумное борирование, осуществляемое при давлении 10 -3 мм рт. ст. и высоких температурах в результате испарения аморфного бора или карбида бора. Пары конденсируются на поверхности обрабатываемой детали, и бор диффундирует в металл.
16 Недостатки: 1. Большие денежные затраты на порошковую смесь 2. Использование контейнеров из жаростойких сплавов Достоинства: 1. Простота технологического оборудования 2. упрочнение изделий сложных форм 3. минимальная деформация при обработке
17 Борирование в обмазках (пастах) Борирование в обмазках (из паст) применяется при упрочнении крупногабаритных изделий, а также при необходимости местного борирования. Также есть возможность совмещения борирования с применяемыми на предприятиях режимами термической обработки упрочняемых деталей. Составляющие обмазки при температуре насыщения могут, взаимодействуя между собой, находиться как в жидком, так и в газообразном состоянии. Основные компоненты пасты тщательно смешивают в специальных смесителях и разбавляют связующим до требуемой консистенции. В качестве связующих используют гидролизоваиный этилсиликат, жидкое стекло, сульфитно-спиртовую барду, декстриновый клей и т. д. Консистенция пасты определяется в основном выбранной технологией ее нанесения на детали: пульверизацией, окунанием, кистью. После завершения режима насыщения детали охлаждают на воздухе или подвергают непосредственной закалке.
18 Достоинства: 1. возрастание мощности диффузионного источника, а также толщины диффузионного слоя, 2. уменьшение расхода дорогостоящих компонентов 3. есть возможности применения механизации и автоматизации процессов химико-термической обработки 4. повышения производительности труда.
19 Спасибо за внимание
Скачать презентацию Химико термическая обработка металлов Ø Цементация Ø
Prezentatsia_na_1_aprelya.pptx