Термічна і хіміко-термічна обробка сплавів

2.Терміческая обробка сплавів

2.1 Основні види термічної обробки

2.2. Відпал I роду

2.3 Відпал II роду

2.4 Гарт

2.5 Відпустка

2.6 Перетворення, які відбуваються в структурі сталі при нагріванні й охолодженні

3. Основи хіміко-термічної обробки

3.1 Цементація

3. 2 Азотування

3. 3 нітроцементація і ціанування стали

3. 4 Борирование і силицирование стали

3. 5 Дифузійна металізація стали

3. 5.А алітірованія

3. 5.б Хромування

3. 5.в Тітанірованіє

3. 5 г Цинкування

4. Висновки

5.Заключеніе

Список використаної літератури

1 Вступ

Людина використовує термічну обробку металів з ​​найдавніших часів. Ще в епоху енеоліту, застосовуючи холодну ковку самородних золота і міді, первісна людина зіткнувся з явищем наклепу, яке ускладнювало виготовлення виробів з тонкими лезами і гострими наконечниками, і для відновлення пластичності коваль повинен був нагрівати холоднокованую мідь у вогнищі. Найбільш ранні свідоцтва про застосування пом'якшує відпалу наклепаного металу належать до кінця 5-го тисячоліття до н. е.. Такий відпал за часом появи був першою операцією термічної обробки металів. При виготовленні зброї і знарядь праці із заліза, отриманого з використанням сиродутного процесу, коваль нагрівав залізну заготовку для гарячого кування в деревного горні. При цьому залізо насичуватися вуглецем, тобто відбувалася цементація - один з різновидів хіміко-термічної обробки. Охолоджуючи кований виріб з науглероженного заліза у воді, коваль виявив різке підвищення його твердості і поліпшення інших властивостей. Загартування в воді науглероженного заліза застосовувалася з кінця 2 - початку 1-го тисячоліття до н. е.. У «Одіссеї» Гомера (8-7 ст. До н. Е..) Є такі рядки: «Як занурює коваль розпечений сокиру иль сокиру у воду холодну, і засичить з клекотанням залізо - міцніше залізо буває, у вогні і воді загартовуючись». У 5 ст. до н. е.. етруски гартували у воді дзеркала з високооловянной бронзи (швидше за все для поліпшення блиску при поліруванні). Цементацію заліза в деревному вугіллі або органічному речовині, гарт і відпустка стали широко застосовували в середні століття у виробництві ножів, мечів, напилків та ін інструментів. Не знаючи суті внутрішніх перетворень в металі, середньовічні майстри часто приписували отримання високих властивостей при термічній обробці металів прояву надприродних сил. До середини 19 ст. знання людини про термічній обробці металів представляли собою сукупність рецептів, вироблених на основі багатовікового досвіду. Потреби розвитку техніки, і в першу чергу розвитку сталепушечного виробництва зумовили перетворення термічної обробки металів з ​​мистецтва в науку. У середині 19 ст., Коли армія прагнула замінити бронзові та чавунні гармати більш потужними сталевими, надзвичайно гострою була проблема виготовлення гарматних стволів високою і гарантованої міцності. Незважаючи на те що металурги знали рецепти виплавки і лиття сталі, гарматні стволи дуже часто розривалися без видимих ​​причин. Д. К. Чернов на Обухівському сталеливарному заводі в Петербурзі, вивчаючи під мікроскопом протравлені шліфи, приготовлені з дув знарядь, і спостерігаючи під лупою будова зламів в місці розриву, зробив висновок, що сталь тим міцніше, чим дрібніше її структура. У 1868 Чернов відкрив внутрішні структурні перетворення в охолодній сталі, що відбуваються при певних температурах. які він назвав критичними точками а і b. Якщо сталь нагрівати до температур нижче точки а, то її неможливо загартувати, а для отримання дрібнозернистої структури сталь слід нагрівати до температур вище точки b. Відкриття Черновим критичних точок структурних перетворень у сталі дозволило науково обгрунтовано вибирати режим термічної обробки для отримання необхідних властивостей сталевих виробів.

У 1906 А. Вільм (Німеччина) на винайденому ним дуралюмина відкрив старіння після гартування - найважливіший спосіб зміцнення сплавів на різній основі (алюмінієвих, мідних, нікелевих, залізних та ін.) У 30-і рр.. 20 в. з'явилася термомеханічна обробка старіючих мідних сплавів, а в 50 - - термомеханічна обробка сталей, що дозволила значно підвищити міцність виробів. До комбінованих видів термічної обробки відноситься термомагнитной обробка, що дозволяє в результаті охолодження виробів у магнітному полі покращувати їх деякі магнітні властивості.

2.ТЕРМІЧЕСКАЯ ОБРОБКА СПЛАВІВ

Підсумком численних досліджень змін структури і властивостей металів і сплавів при тепловій дії з'явилася струнка теорія термічної обробки металів.

Під термічною обробкою розуміють зміну структури, а отже, і властивостей сталі при нагріванні до заданої температури, витримці при цій температурі і охолодженні із заданою швидкістю.

Класифікація видів термічної обробки грунтується на тому, якого типу структурні зміни в металі відбуваються при тепловій дії.

Термічна обробка металів підрозділяється на:

-Власне термічну, яка полягає тільки в тепловій дії на метал,

-Хіміко-термічну, що поєднує теплове і хімічне впливу,

-Термомеханічну, що поєднує тепловий вплив і пластичну деформацію.

2.1. ОСНОВНІ ВИДИ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ

Власне термічна обробка включає такі види:

-Відпал 1-го роду,

-Відпал 2-го роду,

-Загартування без поліморфного перетворення і з поліморфним перетворенням

- Старіння

- Відпустка.

Термічною обробкою називають процеси теплового впливу на сплави (нагрівання і охолодження) з метою зміни їх структури і властивостей. Це один з найпоширеніших у техніці і найефективніших способів зміни структури і властивостей сталей і сплавів, обумовлених протіканням різних фазових перетворень.

Термічна обробка може бути як проміжної операцією, призначеної для поліпшення технологічних властивостей (полегшення кування, штампування, прокатки), так і остаточною - для забезпечення в матеріалі або виробах необхідного комплексу властивостей

Так як основними чинниками будь-якого виду термічної обробки є температура і час, то будь-який процес термічної обробки можна описати графіком, що показує зміну температури в часі.

При розгляді різних видів термообробки залізо-вуглецевих сплавів (сталі, чавуни) використовуються такі умовні позначення критичних точок цих сплавів (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Позначення критичних точок сталі

Критичні точки А ₁ лежать на лінії PSK (727 ° C). Критичні точки А ₂ знаходяться на лінії МО (768 ° C). Критичні точки А ₃ лежать на лінії GS, а критичні точки А _cm - на лінії SE.

Внаслідок теплового гістерезису перетворення при нагріванні й охолодженні проходять при різних температурах. Тому для позначення критичних точок при нагріванні та охолодженні використовують додаткові індекси: літери «з» у випадку нагрівання і «r» у разі охолодження. Наприклад, А _С1, А _С3, А _r1, А _r3.

Властивості сплаву залежать від його структури. Основним способом, що дозволяє змінювати структуру, а, отже, і властивості є термічна обробка.

Основи термічної обробки розробив Чернов Д.К.. У подальшому вони розвивалися в роботах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляєва А.П.

Рис.2.1. Графіки різних видів термообробки: відпалу (1, 1а), загартування (2, 2а), відпустки (3), нормалізації (4)

Термічна обробка являє собою сукупність операцій нагріву, витримки та охолодження, виконуваних у певній послідовності за певних режимах, з метою зміни внутрішньої будови сплаву і отримання потрібних властивостей (подається у вигляді графіка в осях температура - час, див. рис. 12.1).

Розглянемо наступні види термічної обробки:

2.2 Відпал 1 роду

- Можливий для будь-яких металів і сплавів.

Його проведення не обумовлено фазовими перетвореннями у твердому стані.

Нагрівання, при відпалі першого роду, підвищуючи рухливість атомів, частково або повністю усуває хімічну неоднорідність, зменшує внутрішнє напруження.

Основне значення має температура нагріву і час витримки. Характерним є повільне охолодження

Різновидами відпалу першого роду є:

• дифузійний;

• рекрісталлізаціонний;

• відпал для зняття напруги після кування, зварювання, лиття.

2.3 Відпал II роду

- Відпал металів і сплавів, що зазнають фазові перетворення у твердому стані при нагріванні та охолодженні.

Проводиться для сплавів, в яких є поліморфні або евтектоїдних перетворення, а також мінлива розчинність компонентів у твердому стані.

Проводять відпал другого роду з метою отримання більш рівноважної структури та підготовки її до подальшої обробки. У результаті відпалу подрібнюється зерно, підвищуються пластичність і в'язкість, знижуються міцність і твердість, поліпшується оброблюваність різанням.

Характеризується нагріванням до температур вище критичних і дуже повільним охолодженням, як правило, разом з піччю (рис. 12.1 (1, 1а)).

2.4 Гарт

- Проводиться для сплавів, що зазнають фазові перетворення у твердому стані при нагріванні й охолодженні, з метою підвищення твердості і міцності шляхом утворення нерівноважних структур (сорбіт, троостит, мартенсит).

Характеризується нагріванням до температур вище критичних і високими швидкостями охолодження (рис. 12.1 (2, 2а)).

2.5 Відпустка

- Проводиться з метою зняття внутрішніх напружень, зниження твердості і збільшення пластичності і в'язкості загартованих сталей.

Характеризується нагріванням до температури нижче критичної А (Рис. 2.1 (3)). Швидкість охолодження ролі не грає. Відбуваються перетворення, що зменшують ступінь нерівноважності структури загартованої сталі.

Термічну обробку підрозділяють на попередню і остаточну.

Попередня - застосовується для підготовки структури і властивостей матеріалу для наступних технологічних операцій (для обробки тиском, поліпшення оброблюваності різанням).

Остаточна - формує властивість готового виробу.

2.6 Перетворення, які відбуваються в структурі сталі при нагріві і охолодженні

Будь-який різновид термічної обробки складається з комбінації чотирьох основних перетворень, в основі яких лежать прагнення системи до мінімуму вільної енергії.

Залежність вільної енергії структурних складових сталей від температури: аустеніту (F _A), мартенситу (F _M), перліту (F _П)

1. Перетворення перліту в аустеніт , Відбувається при нагріванні вище критичної температури А _1, мінімальної вільної енергією володіє аустеніт.

2. Перетворення аустеніту в перліт , Відбувається при охолодженні нижче А _1, мінімальної вільної енергією володіє перліт:

3. Перетворення аустеніту в мартенсит , Відбувається при швидкому охолодженні нижче температури нестабільного рівноваги

4. Перетворення мартенситу в перліт ; - Відбувається при будь-яких температурах, тому що вільна енергія мартенситу більше, ніж вільна енергія перліту.

3.ХІМІКО-термічної обробки сплавів

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називається термічна обробка, яка полягає в поєднанні термічного та хімічного впливу з метою зміни складу, структури і властивостей поверхневого шару сталі, такі як: цементація, азотування, нітроцементація, ціанування, борирование, силицирование, дифузійна металізація сталі і ін .

Хіміко-термічна обробка є одним з найбільш поширених видів обробки матеріалів з ​​метою надання їм експлуатаційних властивостей. Найбільш широко використовуються методи насичення поверхневого шару сталі вуглецем і азотом як порізно, так і спільно. Це процеси цементації (науглероживания) поверхні, азотування - насичення поверхні сталі азотом, нітроцементації і ціанування - спільного введення в поверхневі шари стали вуглецю та азоту. Насичення поверхневих шарів стали іншими елементами (хромом - дифузійне хромування, бором - борирование, кремнієм - силицирование і алюмінієм - алітування) застосовуються значно рідше.

Процес хіміко-термічної обробки представляє собою багатоступінчастий процес, який включає в себе три послідовні стадії:

1. Освіта активних атомів в насичує середовищі поблизу поверхні або безпосередньо на поверхні металу. Потужність дифузійного потоку, тобто кількість які виникають в одиницю часу активних атомів, залежить від складу і агрегатного стану насичує середовища, яка може бути твердою, рідкому або газоподібному, взаємодії окремих складових між собою, температури, тиску і хімічного складу сталі.

2. Адсорбція (сорбція) утворилися активних атомів поверхнею насичення. Адсорбція є складним процесом, який протікає на поверхні насичення нестаціонарним чином. Розрізняють фізичну (оборотну) адсорбцію і хімічну адсорбцію (Хемосорбція). При хіміко-термічній обробці ці типи адсорбції накладаються один на одного. Фізична адсорбція призводить до зчеплення адсорбованих атомів насичує елемента (адсорбату) з утворюємо поверхнею (адсорбентом) завдяки дії Ван-дер-Ваальсових сил тяжіння, і для неї характерна легка оборотність процесу адсорбції - десорбція. При хемосорбції відбувається взаємодія між атомами адсорбату та адсорбенту, яке за своїм характером і силі близько до хімічному.

3. Дифузія - переміщення адсорбованих атомів в решітці оброблюваного металу. Процес дифузії можливий тільки при наявності розчинності диффундирующего елемента в оброблюваному матеріалі і досить високій температурі, що забезпечує енергію необхідну для протікання процесу.

Товщина дифузійного шару, а отже і товщина зміцненого шару поверхні виробу, є найбільш важливою характеристикою хіміко-термічної обробки. Товщина шару визначається рядом таких факторів, як температура насичення, тривалість процесу насичення, склад сталі, тобто вміст у ній тих чи інших легуючих елементів, градієнт концентрацій насичуємо елемента між поверхнею виробу і в глибині насичуємо шару

Рис.1

Глибина дифузійного шару в залежності від тривалості процесу і

3.1. Цементація

Під цементацією прийнято розуміти процес високотемпературного насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Так як вуглець в α-фазі практично не розчиняється, то процес цементації здійснюється в інтервалі температур 930-950 ° С - тобто вище α → γ-перетворення. Структура поверхневого шару цементованного вироби представляє собою структуру заевтектоідной сталі (перліт і цементит вторинний), тому для додання стали остаточних - експлуатаційних - властивостей після процесу цементації необхідно виконати режим термічної обробки, що складається в загартуванню та низькій відпустці; температурно-часові параметри режиму термічної обробки призначаються в залежності від хімічного складу сталі, відповідальності, призначення і геометричних розмірів цементованного вироби. Звичайно застосовується загартування з температури цементації безпосередньо після завершення процесу хіміко-термічної обробки або після подстужіванія до 800-850 ° С і повторного нагріву вище точки АС3 центральної (нецементованной) частини виробу. Після гарту слід відпустку при температурах 160-180 ° С.

Цементація як процес хіміко-термічної обробки, в основному, застосовується для низьковуглецевих сталей типу Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА та ін , однак у ряді випадків може бути використана при обробці шарикопідшипників - стали ШХ15, 7х3 і корозійностійких сталей типу 10Х13, 20Х13 і т. д. Сталі, рекомендовані для цементації, повинні мати гарну прокаливаемостью і закаліваемостью цементованного шару, які повинні забезпечити необхідний рівень міцності, зносостійкості і твердості. Прокаливаемость серцевини повинна регулюватися у вельми вузькому діапазоні твердість, який складає 30-43 HRCЕ. З огляду на тривалість процесу цементації і високу температуру процесу, рекомендується при цьому виді хіміко-термічної обробки використовувати спадково дрібнозернисті сталі, розмір зерна яких не повинен перевищувати 6-8 балів. В іншому випадку в ході цементації відзначається значне зростання зерна серцевини вироби, що призводить до зниження його експлуатаційних властивостей.

Цементація виробляється в углероднасищенних твердих, рідких або газоподібних середовищах, званих карбюризаторами.

При твердофазної цементації процес ведуть так. Цементуємих деталі упаковуються в цементаційні ящики таким чином, щоб їх обсяг, в залежності від складності конструкції деталі, займав від 15 до 30% обсягу цементаційних скриньки. Ящики завантажують у піч, нагріту до температур від 600-700 ° С і нагрівають до температури цементації - 930-950 ° С. Після закінчення процесу цементації ящики виймаються з печі - охолодження деталей ведеться всередині цементаційних скриньок на повітрі. До числа недоліків цементації в твердих карбюризатора відносяться: неможливість регулювання ступеня насичення і неможливість проведення гарту безпосередньо після цементації, додатковий непродуктивний витрата енергії на прогрівання цементаційних ящиків і т. п. Однак простота методу, можливість проводити процес на стандартному пічному обладнанні без встановлення додаткових пристроїв роблять цей метод досить поширеним в умовах дрібносерійного виробництва в ремонтних цехах і на дільницях великих підприємств. Цементація в рідиннофазної карбюризаторе застосовується для дрібних деталей. До недоліків цього процесу відносяться нерівномірність глибини цементованного шару і необхідність частих регенерацій углероднасищенного розплаву. У разі серійного і великосерійного виробництва цементованних виробів найбільшого поширення набула цементація в газоподібних карбюризаторе. Цей метод забезпечує найбільшу рівномірність по товщині і властивостями цементованного шару, знижує час, що витрачається на процес хіміко-термічної обробки, а в ряді випадків дозволяє виробляти загартування виробів безпосередньо після цементації. Останнім часом набув поширення процес вакуумної цементації. Печі для вакуумного цементації складаються з нагрівальної камери, обладнаної вентилятором для забезпечення інтенсивної циркуляції повітря, гартувального бака і транспортних пристроїв. Підготовлені для вакуумного цементації деталі поміщають у нагрівальну піч, вакуумируют і нагрівають до 1000-1100 ° С, потім в піч подається газоподібний карбюризатор - очищений природний газ, пропан або бутан. Цей метод дозволяє прискорити процес цементації, підвищити якість одержуваного шару.

Якість процесу цементації оцінюється по ефективній товщині цементованного шару, яка визначається за одним із двох показників - твердості або структурі шару. Структура поверхневого шару цементованной сталі складається з кількох зон: поверхневої - заевтектоідной (перліт + цементит), евтектоїдних - перлітною і доевтектоїдних - перлітоферрітной. Ефективну товщину цементованного шару за структурою прийнято вимірювати на металографічних шліфах у відпаленому стані при збільшеннях від 100 до 500 разів.

У випадку, коли за критерій оцінки товщини цементованного шару приймається твердість або мікротвердість після цементації, то оцінка ведеться на термічно оброблених зразках, а за кінець цементованного шару приймається зона з твердістю 50 HRCЕ або 540-600 Н

3.2 Азотування

Під азотуванням мається на увазі процес дифузійного насичення поверхневого шару сталевого виробу або деталі азотом при нагріванні у відповідному середовищі. Метою азотування є підвищення твердості поверхні виробу, витривалості і зносостійкості, стійкості до появи задирів і кавітаційним впливів, підвищення корозійної стійкості у водних середовищах і атмосфері.

Азотуванню піддаються найрізноманітніші за складом і призначенням сталі - конструкційні та інструментальні, жароміцні корозійностійкі, спечені порошкові сталі, а також ряд тугоплавких матеріалів (табл. 2).

Азотування проводиться при температурах значно нижче температур цементації і температур фазових перетворень, тому іноді цей процес називають низькотемпературної хіміко-термічною обробкою або низькотемпературним азотированного. Температура процесу азотування зазвичай не перевищує 600 ° С. Однак слід зазначити, що в останні роки все більшого поширення набуває процес високотемпературного азотування (600-1200 ° С). Цей процес застосовують для насичення азотом поверхонь деталей з феритних і аустенітних сталей, ряду тугоплавких металів - титану, молібдену, ніобію, ванадію і т. д.

Таблиця 2. Склади основних насичують середовищ і режими хіміко-термічної обробки при азотуванні

Примітка:

* 1 Процес короткочасного азотування при 570 ° С - замість рідкого азотування. Розведення аміаку азотом зменшує крихкість шару.

* 2 Застосування ендогаза при температурах нижче 700 ° С - вибухонебезпечна. Вимагається прийняття спеціальних захисних заходів.

* 3 Ступінь дисоціації аміаку - 30-60%.

* 4 антикорозійному азотуванню піддають вироби, виготовлені з вуглецевих сталей, що працюють в умовах атмосферної корозії.

Процес низькотемпературного азотування проводять, в основному, у газових середовищах - суміші азоту та аміаку, диссоциированного аміаку і т. д. Для активізації процесу в насичуючу середу можуть бути введені кисень або повітря. Досить широке застосування знайшли середовища, де азот-насичені середовища доповнюються углероднасищеннимі, - тобто місця, де крім диссоциированного аміаку присутні природний або світильний газ, ендогаз, пари спирту або гасу і т. п.

Для азотування в рідких середовищах, яке також називають «м'яким азотуванням» або «теніфер-процесом» застосовують розплави ціанід-ціанатних солей або ванни на основі карбаміду. Однак рідке азотування не отримало широкого розповсюдження через токсичність процесу, високу вартість використовуваного обладнання і використовується, в основному, для обробки інструментів з швидкорізальних або високолегованих інструментальних сталей. Підігріті інструменти витримують у ванні при 530-560 ° С протягом 10-100 хв - залежно від типу інструменту, а потім охолоджують на повітрі. Необхідно суворо стежити за хімічним складом насичує складу, так як повна азотірующая здатність ванни встановлюється тільки в тому випадку, коли зміст ціанатів становить близько 40% від початкового вмісту в розплаві ціанідів.

Термічна обробка інструментальних сталей після азотування проводиться за наступним режимом: гарт з температур 1000-1050 ° С і потім, для підвищення ударної в'язкості, першу відпустку виконується при температурі 350 ° С, а наступні - при 560 ° С.

3.3. Нітроцементація і ціанування стали

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. Хімічні склади основних розплавів для ціанування наведено в табл. 3.

Таблиця 3. Склади ванн і режими ціанування виробів

* У дужках дано робочий склад ванн для ціанування.

Ціаністий натрій у розплаві солей окислюється киснем повітря з протіканням реакцій:

2NaCN + О 2 ® 2NaCNO, (1)

2NaCNO + О 2 ® Na2C3 + CO + 2N, (2)

2CO ® CО2 + С (3)

Отримані в результаті реакцій (2) атомарний азот і (3) атомарний вуглець дифундують в залізо. Слід мати на увазі, що активність ванн у процесі ціанування виробів поступово знижується. Для підтримки швидкості перебігу процесу слід періодично додавати в розплав ціаністий натрій.

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.

3.4. Борирование і силицирование стали

Борирование - 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.

Борирование може здійснюватися в твердих, рідких (електролізне і безелектролізное борирование) і газоподібних середовищах (табл. 4). 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.

Борирование 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.

Таблиця 4. Склади середовищ і режими борування сталей

Примітка:

* Карбід бору використовується в порошкоподібному вигляді.

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.

Силицирование - процес хіміко-термічної обробки, що складається у високотемпературному (950-1100 ° С) насиченні поверхні стали кремнієм. Силицирование 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. Силицирование може проводитися в газоподібних і рідких середовищах як електролізним, так і безелектролізним методом. Основні склади насичують середовищ і режими силицирование за даними М. Ю. Лахніна наведено в табл. 5.

Таблиця 5. Склади середовищ і режими силицирование сталей

Примітка:

* Щільність струму при електролізі від 2,5 до 3,0 кА/м2.

3.5 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 хром, алюміній, цинк, вольфрам, 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.

3.5.а 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. У табл. 6 наведено основні склади середовищ та режимів алітірованія

Таблиця 6.Состави середовищ і режими алітірованія сталей.

Примітка:

* Пристосування для алітірованія (ящики, контейнери) подібні скриньок для цементації.

** Залізо в розплав вводиться, щоб уникнути розчинення поверхні деталі.

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

3.5.б 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.

Хромированию 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, молібден, титан, 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 вольфрамом, молібденом 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.

У табл. 7 наведені основні склади середовищ та режимів хромування. Найбільш широко застосовується метод дифузійного хромування в порошках, що містять хром або ферохром і активні добавки у вигляді галогенідів амонію (контактний метод). При цьому піддаються хіміко-термічній обробці деталі укладаються в спеціальні контейнери (ящики) з подвійними кришками для підвищення герметичності і піддаються високотемпературному нагріві у відповідних (табл.7) сумішах протягом 6-12 ч. Особливо широке застосування цього методу пояснюється простотою застосовуваного обладнання, відсутністю необхідності створення спеціальних виробництв і ділянок.

Таблиця 7. Склади середовищ і режими хромування сталей

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.

3.5.в 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.

3.5.г 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.

4.Висновок

У даній роботі я розглянув поняття термічної і хіміко-термічна обробки сплавів

Термічну обробку застосовують для зміни механічних властивостей та структури металів і сплавів. Основні способи термічної обробки - це відпал, загартування і відпуск. Вибір того чи іншого способу термічної обробки залежить від складу сплаву і тих властивостей які хочемо отримати, на підставі аналізу діаграм стану. Також необхідно враховувати динаміку змін структури матеріалів.

До хіміко-термічній обробці відносяться такі види обробки сплавів, як: цементація, азотування, нітроцементація, ціанування, борирование, силицирование, дифузійна металізація сталі та ін

Одним з найбільш ефективних і універсальних процесів хіміко-термічної обробки є борирование.

Борирование 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.

Список використаної літератури

1. Волосатов В.А. Довідник з електрохімічним і електрофізичних методів обробки - М: Політехніка, 1988. -265 С.

2. Каменічний І.С Короткий довідник технолога-терміст - М: Оборонгіз, 1963. -298 С.

3. Лахтін Ю.М., Рахштадт А. Г. Термічна обробка в машинобудуванні - М: ОЛМА-ПРЕСС, 1980. -426 С.

4. Сальников С.П. Короткий довідник машинобудівника - М: Машинобудування, 2001. -312 С.

5. Соломенцева Ю.М. Основи автоматизації машинобудівного виробництва - М: Машинобудування, 1999. -361 С.

6. Шаврін О.І. Технологія та обладнання термомеханічної обробки деталей машин - С-Пб: Символ-Плюс, 1996. -502 С.

7. www.naukaspb.ru

8. www.ucheba.ru

9. www.erudition.ru

10. www.chemport.ru

11. Травін О.В., Травіна М.Т. Матеріалознавство. - М.: Металургія, 1989. - 360 с.

12. Лахтін Ю.М., Леонтьєва В.П. Матеріалознавство: Підручник для машинобудівних вузів - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Машинобудування, 1980. - 493 с.