Химико-термическая обработка стали Выполнил Сиргалина Э Г МХТ-10

Химико-термическая обработка стали Выполнил: Сиргалина Э. Г. МХТ-10

Химико-термическая обработка (поверхностное легирование) – это обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействий на металлы и сплавы для изменения химического состава, структуры и свойств в поверхностных слоях. ХТО сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами (C, N, Si, B и др. ) или металлами (Cr, Al и др. )в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Процессы при ХТО: • Образование в окружающей среде диффундирующего элемента в атомарном или ионизированном состоянии. • Адсорбция атомов или ионов на поверхности с образованием химических связей между ионами насыщающего элемента и основного металла. • Диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь обрабатываемого металла.

Диффузионный слой – это слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам. Рисунок 1 - Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), от температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

Диффузия вызывает образование однофазных слоев, соответствующих однофазным областям диаграммы фазового равновесия Fe-М. Рисунок 2 – Схема диаграммы состояния железо – диффундирующий элемент (а), изменение концентрации диффундирующего элемента по толщине слоя (б) и схема микроструктуры диффузионного слоя (в) при t 1 и t 2 Расстояние от поверхности

В зависимости от того, каким элементом насыщают поверхностный слой стального изделия, различают: • Цементацию (насыщение углеродом) • Азотирование (насыщение азотом) • Нитроцементация (насыщение азотом и углеродом) • Цианирование (насыщение азотом и углеродом) • Борирование (насыщение бором) • Силицирование (насыщение кремнием) • Диффузионное насыщение металлами (металлизация)

Цементация (науглероживание) – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе, до температуры выше точки Ас3 930 -9300 С. Назначение цементации – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0, 1 -0, 35%С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с 0, 2 -0, 3%С. При температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада – феррита и цементита. Концентрация углерода не достигает предела насыщения при данной температуре.

Рисунок 3 – Диаграмма состоянияжелезо-цементит (а), изменение содержания углерода, твердости после закалки (б) и микроструктуры после медленного охлаждения (в, х250) по толщине цементованного слоя.

Цементация Газовая Осуществляется нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Реакции при насыщении: CH 4 → 2 H 2 + Cат 2 CO → CO 2 + Cат → Feγ(C) Твердым карбюризатором Насыщающая среда: древесный уголь или торфяной кокс с активизаторами. Осуществляется атомарным углеродом. Реакции при насыщении: 2 C + O 2 → 2 CO → CO 2 + Cат → Feγ(C) Активатор: Ba. CO 3 + C → 2 CO После процесса цементации обязательно проводится термическая обработка для получения заданных свойств цементованного слоя и сердцевины изделия.

Рисунок 4 – Шахтная муфельная электропечь серии Ц Рисунок 5 – Безмуфельная печь непрерывного действия для газовой цементации

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 840 -8600 С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Основное назначение нитроцементации – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости стальных делалей. Содержание азота должно быть ≈0, 1 -0, 15% для устранения вредных последствий внутреннего окисления. При высоком содержании азота (0, 4 -0, 5%) в слое образуется темная составляющая (точечная сетка). Оптимальное содержание углерода и азота С+N зависит от марки стали и колеблется в пределах 1, 0 -1, 65%.

Азотирование – процесс диффузионного поверхностного слоя стали азотом. насыщения Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке (25 -60%). 2 NH 3→ 6 H+2 Nатом Одновременное присутствие хрома, алюминия и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя на поверхности до 1200 НV. Молибден устраняет отпускную хрупкость, однако алюминий придает азотированному слою повышенную хрупкость. Поэтому чаще применяют стали, легированные Cr (1 -3%), Mo (0, 2 -0, 4%), V (до 1 -1, 2%).

Рисунок 6 – Шахтная муфельная печь США-8. 12/6… 11

Рисунок 7 – Диаграмма состояния Fe – N (а) и изменение содержания азота (б) и микроструктуры (в, х250) по толщине азотированного слоя, полученного при 6000 С на железе

Азотирование Ионное В жидких средах (тенифер-процесс) Проводят в разреженной азотсодержащей атмосфере при подключении обрабатываемых деталей к катоду(-) при температуре 4705800 С и напряжении 400 -1100 В. Проводят при температуре 5700 С в расплавленных цианистых солях. Углеродоазотирование Азотирование с добавлением углесодержащих газов проводится при 5700 С

Цианирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820 -9500 С в расплавленных солях, содержащих группу Na. CN. Процесс цианирования занимает меньше времени, характеризуется меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы и более высоким сопротивлением износу и коррозии чем цементирование. Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда.

Цианирование Среднетемпературное Для получения слоя небольшой толщины (0, 150, 35 мм) процесс ведут при температуре 820 -8600 С в ваннах (20 -25% Na. CN, 25 -50% Na. Cl и 25 -50% Na 2 CO 3) Применяют для упрочнения мелких деталей. Высокотемпературное Для получения слоя большей толщины (0, 52, 0 мм) процесс ведут при температуре 930 -9500 С в ванне, содержащей 8%Na. CN, 10% Na. Cl и 82% Ba. Cl 2)

Борирование – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Температура насыщения 9309500 С при электролизе расплавленной буры (Na 2 B 4 O 7). Изделие служит катодом. Процесс можно вести в ваннах с расплавленными хлористыми солями, в которые добавляют 20% ферробора или 10% карбида бора. При газовом борировании насыщение ведут при температуре 850 -9000 С в среде диборана или треххлористого бора в смеси с водородом. Борирование применяют для повышения износостойкости, твердости, коррозийной стойкости, окалиностойкости до 8000 С и теплостойкости.

Диффузионное насыщение металлами – поверхностное насыщение стали алюминием, хромом, цинком и другими элементами. Изделие, поверхность которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства: высокая жаростойкость, коррозийная стойкость, повышенная износостойкость, твердость. Способы диффузионного насыщения металлами: • Погружение в расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет низкую температуру плавления (Al, Zn); • Насыщение из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза); • Насыщение из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента; • Насыщение из газовой фазы (контактным и неконтактным методом), состоящей из галогенных соединений диффундирующего элемента.

Рисунок 8 – Микроструктура диффузных слоев (х250) а – алитированный слой на железе (α-фаза); б – хромированный слой на железе (α-фаза); в - хромированный слой на стали, содержащей 0, 45% С, состоящий из карбида (Fe, Cr)7 C 3; г – силицированный слой на стали, содержащей 0, 4% С (αфаза); д – борированный слой на стали, содержащей 0, 8% С (Fe. B и Fe 2 B)

Галогенные соединения диффундирующего элемента получают реакции: по На границе раздела газовая фаза – обрабатываемая поверхность могут протекать следующие реакции: • Реакция обмена • Реакция диссоциации • Реакция диспропорционирования Металл, образующийся в результате реакций, адсорбируется обрабатываемой поверхностью и диффундирует в глубь обрабатываемого изделия.

Алитирование – насыщение поверхности стали алюминием. Алитированная сталь приобретает высокую окалиностойкость до 850 -9000 С, обладает хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде, низкой износостойкостью. Хромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость сталей к газовой коррозии до 8000 С, высокую коррозийную стойкость в воде, морской воде, и азотной кислоте. Хромирование сталей, содержащих свыше 0, 3 -0, 4% С, повышает также твердость и износостойкость.

Силицирование – насыщение поверхности стали кремнием. Силицирование придает стали высокую коррозийную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа. Силицированный слой отличается повышенной пористостью, низкой твердостью, обладает высокой износостойкостью после предварительной пропитки маслом при 170 -2000 С. Силицирование широко применяют для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной, нефтяной промышленности.

Вид ХТО Состав насыщающей среды Т, 0 С 1. CO, Н 2, N 2 2. C, Ba. CO 3, Na 2 CO 2 910950 5, 5 -14 Твердость, износостойкость, предел выносливости Азотирование NH 3 До 580 В завис. от темп. Твердость, износостойкость, предел выносли-вости, сопр. корр. Нитроцементация CO, Н 2, N 2, СН 4, NН 4 или (С 2 H 3 O)3 N 840860 4 -10 Твердость, износостойкость, сопротивление коррозии Цианирование расплавы сод. Na. CN 820860 0, 5 - 6 Сопротивление износу и коррозии Борирование Na 2 B 4 O 7 или в Na. Cl 2 (Ba. Cl 2) 850950 2 -6 Твердость, износостойкость, корр. стойкость, окалиностойкость, теплосто йкость Силицирование Si 170200 Износостойкость Твердость Алитирование Al 850900 Сопротивление коррозии Износостойкость Хромирование Cr 800 Корр. стойкость, твердость, износотостойкость Цементация 1. Газовая 2. Твердым карбюризатором Длитель ность, ч Получаемые свойства повышение понижение Al придает хрупкость