Термическая и химико-термическая обработка сталей
Термическая (тепловая) обработка стали служит для изменения в определенных пределах прочности, твердости, вязкости, упругости, износостойкости и других свойств стального изделия. Большинство термических процессов не меняет химического состава стали. Исключением являются процессы химико-термической обработки, которые изменяют химический состав поверхностных слоев.
Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных деталей, обладающих повышенной твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии (проникновения) в поверхностный слой деталей переходят некоторые элементы (углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др.). Выделяющийся при разложении активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются: цементация (насыщение поверхности углеродом), цианирование жидкое и газовое (насыщение поверхности азотом и углеродом), алитирование (насыщение поверхности алюминием), силици-рование (насыщение поверхности кремнием), борнрование (насыщение поверхности бором) и др.
Способами термической обработки без изменения химического состава металла являются нормализация, отжиг, закалка и отпуск.
Нормализация применяется для того, чтобы перевести структуру стали в однородное состояние, ликвидировать крупнозернистую структуру, которую имеет сталь в литом или кованном состоянии. Нормализация заключается в нагреве до температуры, при которой углерод полностью растворяется в железе, и охлаждении на воздухе. Нормализованная сталь имеет более высокие, чем в литом состоянии, показатели по вязкости и более низкую твердость, что создает хорошие условия для обработки резанием. Нормализацию применяют для выравнивания внутренних напряжений в отливках, поковках и сварных соединениях.
Отжигом называют процесс, при котором производят нагрев выше температуры полного растворения углерода в железе, выдержку при этой температуре и затем медленное охлаждение до комнатной температуры. Отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием и для повышения пластичности и вязкости.
Закалкой называют процесс термической обработки, состоящий из нагрева выше точки полного растворения углерода в железе, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего быстрого охлаждения (в воде, в
масле и других средах). Скорость нагрева, длительность выдержки и охлаждающая среда при закалке применяются в зависимости от химического состава стали, величины и массы изделия, типа печи и т. д. Для получения детали с вязкой сердцевиной и твердой рабочей поверхностью применяют поверхностную закалку.
Отпуск состоит из нагрева закаленной стали ниже температуры начала растворения углерода в железе, выдержки и последующего быстрого или медленного охлаждения. Выбор температуры отпуска зависит от назначения изделий. Скорость охлаждения после отпуска для простой углеродистой стали не имеет значения, но специальные стали, например хромоникелевые, во избежание получения низких механических свойств (особенно ударной вязкости) необходимо охлаждать быстро.
Обработка холодом. При недостаточном отпуске закаленного режущего инструмента получают пониженную твердость, что резко снижает его работоспособность. Для повышения твердости инструмент подвергают обработке холодом при температурах ниже нуля (от —40 до —120°С). Такие охлаждающие температуры создают при помощи жидкого кислорода и воздуха, смеси сухого льда (твердый С02) с ацетоном, спиртом, жидкого азота и т. д.
После выдержки в этой среде в течение определенного времени твердость инструмента повышается. Повышение твердости вызывается изменением структурного состояния материала инструмента и сопровождается возникновением внутренних напряжений. Поэтому после обработки холодом необходимо производить отпуск при температурах, не понижающих твердость, но достаточных для снятия внутренних напряжений (например, для цементируемых деталей температура отпуска лежит в пределах от +160 до +180° С).
Обработку холодом применяют также для стабилизации размеров и формы измерительных инструментов.
Цементация. Сущность процесса цементации состоит в том, что при нагревании низкоуглеродистой стали в среде, способной отдавать углерод, поверхностный слой стали поглощает углерод и изменяет свой химический состав. После соответствующей термической обработки цементированные изделия приобретают высокую твердость поверхности, сохраняя вязкую сердцевину. Цементацию широко применяют при изготовлении деталей, подвергающихся истиранию и одновременно испытывающих ударную нагрузку. В зависимости от среды, отдающей углерод, цементация бывает твердая, жидкостная и газовая. При цементации в твердом карбюризаторе средой являются смеси, в состав которых входят древесный уголь, кокс, обугленная кожа, смешанные с углекислым барием или другими углекислыми солями.
При газовой цементации активным науглероживающим элементом среды является метан СН4. Для газовой цементации де-талями заполняют плотные муфели, через которые пропускают газ. В муфелях поддерживают температуру в пределах 900— 950° С.
Цианирование — насыщение поверхностного слоя изделия одновременно углеродом и азотом. Цианирование применяют для повышения поверхностной твердости и плоскостности.
Жидкостное цианирование производят в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCN, KCN, Ca(CN)2 и др.) при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных атомов углерода и азота.
Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота,
Алитирование представляет собой поверхностное насыщение деталей алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Оно применяется преимущественно к деталям, работающим при высоких температурах (колосники, трубы и др.), так как значительно повышает стойкость стали при высокой температуре (1000°С).
Диффузное хромирование производится в порошковых смесях, состоящих из феррохрома и шамота, смоченных соляной кислотой, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома (СгС12). Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п.
Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных изделий кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах.
Источник
Химико-термическая обработка стали
Существуют различные способы воздействия на сталь с целью придания ей требуемых свойств. Один из комбинированных методов — химико-термическая обработка стали.
Общие принципы
Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.
Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.
Рассматриваемый процесс включает три этапа:
Интенсивность диффузии увеличивается в случае формирования растворов внедрения и снижается, если вместо них формируются растворы замещения.
Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.
На размер диффузионного слоя влияют температура и длительность выдержки. Данные параметры связаны прямой зависимостью. То есть с ростом концентрации насыщающего элемента возрастает толщина слоя, а повышение интенсивности теплового воздействия приводит к ускорению диффузии, следовательно, за тот же промежуток времени она распространится на большую глубину.
Большое значение для протекания процесса диффузии имеет растворимость в материале обрабатываемой детали насыщающего элемента. В данном случае играют роль пограничные слои. Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ зерен множества кристаллических дефектов диффузия происходит более интенсивно. Особенно это проявляется в случае малой растворимости насыщающего элемента в материале. При хорошей растворимости это менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется при фазовых превращениях.
Классификация
Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.
В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.
Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.
При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления. Наиболее часто в промышленности для создания газовой и активной газовой сред используют нагрев твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого регулирования состава, отсутствия необходимости повторного нагрева, возможности автоматизации и механизации.
Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.
Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.
По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.
Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.
Диффузионная металлизация
Это поверхностное насыщение стали металлами.
Возможно проведение в жидкой, твердой, газовой средах. Твердый метод предполагает использование порошков из ферросплавов. Жидкой средой служит расплав металла (алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод предполагает использование хлористых металлических соединений.
Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется малой интенсивностью диффузии металлов в сравнении с азотом и углеродом, так как вместо растворов внедрения они формируют растворы замещения.
Такая химико-термическая операция производится при 900 — 1200°С. Это дорогостоящий и длительный процесс.
Основное положительное качество — жаростойкость продуктов. Ввиду этого металлизацию применяют для производства предметов для эксплуатационных температур 1000 — 1200°С из углеродистых сталей.
По насыщающим элементам металлизацию подразделяют на алитирование (алюминием), хромирование, борирование, сицилирование (кремнием).
Первая химико-термическая технология придает материалу стойкость к окалине коррозии, однако на поверхности после нее остается алюминий. Алитирование возможно в порошковых смесях либо в расплаве при меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и проще.
Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и среднеуглеродистых сталей оно также улучшает износостойкость и твердость. Данная химико-термическая операция в основном производится в порошковых смесях, иногда в вакууме.
Основное назначение борирования состоит в улучшении стойкости к абразивному износу. Распространена электролизная технология с применением расплавов боросодержащих солей. Существует и безэлектролизный метод, предполагающий использование хлористых солей с ферробором или карбидом бора.
Сицилирование увеличивает стойкость к коррозии в соленой воде и кислотах, к износу и окалине некоторых металлов.
Науглероживание (цементация)
Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.
Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.
Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.
Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.
Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.
Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.
При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.
Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.
Газовую среду наиболее часто применяют при цементации ввиду скорости, простоты, возможности автоматизации, механизации и достижения конкретной концентрации углерода. В таком случае используют метан, бензол или керосин.
Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.
Ионный метод подразумевает катодное распыление.
Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.
Азотирование
Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.
С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.
Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.
Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.
Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.
Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.
При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.
Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.
Цианирование, нитроцементация
Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.
Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.
На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.
Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.
При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.
Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.
Сульфидирование, сульфоцианирование
Это новая химико-термическая технология, направленная на улучшение износостойкости.
Первый метод состоит в насыщении материала серой и азотом путем нагрева в серноазотистых слоях.
Сульфоцианирование подразумевает насыщение углеродом, помимо названных элементов.
Источник
