Лабораторна робота
Хіміко-термічна обробка сталі
1.Загальні відомості
Хіміко-термічною обробкою стали називається процес, який поєднує поверхневе насичення стали тим чи іншим елементом при високій температурі і термічний вплив, в результаті яких відбувається зміна хімічного складу, мікроструктури і властивостей поверхневих шарів деталей.
Хіміко-термічна обробка включає в себе цементацію, азотування, ціанування, алітування, силицирование і т. д.
Насичення поверхневого шару відбувається при нагріванні деталі до певної температури в середовищі, легко виділяє насичує елемент в активному стані, і витримці при цій температурі. Середовища, які виділяють насичує елемент, можуть бути газоподібними, рідкими і твердими.
На відміну від поверхневої гарту при хіміко-термічній обробці різниця у властивостях досягається не тільки зміною структури металу, але і його хімічного складу. ХТО не залежить від форми деталей. Вона забезпечує одержання зміцненого шару однакової товщини по всій поверхні. ХТО дає більш істотна відмінність у властивостях поверхні і серцевини деталей. ХТО змінює хімічний склад і структуру поверхневого шару, а поверхнева гарт - тільки структурВместе з тим ХТО поступається поверхневому загартуванню по продуктивності.
Основними елементарними процесами будь-якого виду хіміко-термічної обробки є:
Дисоціація-виділення насичує елемента в активному атомарному стані в результаті розкладання вихідних речовин: 2СО ↔ СО 2 + С; 2 NH 3 ↔ ДТ 2 + 2 N і т. д. Ступінь розпаду молекул газу (%) називають ступенем дисоціації.
Абсорбція - захоплення поверхнею металу вільних атомів насичує елемента. Атоми металу, що знаходяться на поверхні, мають спрямовані назовні вільні зв'язку. При подачі до поверхні деталі атомів насичує елемента ці вільні зв'язку вступають в силу, що зменшує поверхневу енергію металу. З підвищенням температури абсорбційна здатність металу збільшується. Розвитку процесу абсорбції сприяє здатність диффундирующего елемента утворювати з основним металом тверді розчини або хімічні сполуки.
Дифузія - проникнення насичує елемента углиб металу. У результаті абсорбції хімічний склад поверхневого шару змінюється, утворюється градієнт концентрацій насичує елемента в поверхневих і нижчих шарах. Дифузія протікає легше при утворенні твердих розчинів впровадження (С, N), ніж твердих розчинів заміщення (Al, Cr, Si). Тому при дифузійної металізації процес ведуть при більш високих температурах.
Поверхневий шар деталі, що відрізняється від вихідного матеріалу по хімічному складу, називається дифузійним шаром. Матеріал деталі під дифузійним шаром з незмінним хімічним складом називається серцевиною.
2. Цементація стали
Цементацією називається процес дифузійного насичення поверхневого шару сталевих деталей вуглецем.
Мета цементації - одержання на поверхні деталі високої твердості і зносостійкості в поєднанні з в'язкою серцевиною. На цементацію надходять механічно оброблені деталі g припуском на шліфування 0,05-0,10 мм.
Цементації піддають сталі з низьким вмістом вуглецю 0,1-0,2%.
На поверхні концентрація вуглецю досягає 1,0%. Глибина цементованного шару (при змісті вуглецю порядку 0,4%) зазвичай лежить в межах 0,5-2,5 мм. Для досягнення високої твердості поверхні і в'язкою серцевини після цементації завжди проводиться гарт з низьким відпусткою.
Розрізняють два основних види цементації; у твердій і газовій середовищах. Середа, поставляє вуглець до поверхні деталі, що піддається цементації, називається карбюризатором.
Тверда цементація здійснюється в спеціальних сталевих ящиках, в яких деталі укладаються поперемінно з карбюризатором. Ящики закриваються кришками і замазуються вогнетривкої глиною для запобігання витоку газів. В якості твердого карбюризатора використовують дубовий або березовий деревне вугілля та активізатор ВАЛТ 3 або Na 2 CO 3. При нагріванні до температури 930-950 ° С йдуть реакції:
2С + О 2 → 2СО,
ВАЛТ 3 + З → ВаО + 2СО,
2СО → СО 2 + С.
Утворені активні атоми вуглецю дифундують в решітку γ-заліза.
Процес цементації у твердому карбюризаторе проводять вище Ас 3, коли сталь знаходиться в аустенітній стані, в якому розчинність вуглецю вище. Протягом 8-10 год утворюється шар товщиною близько 1 мм.
Газова цементація є основним процесом масового виробництва. Сталеві деталі нагрівають у газових сумішах, що містять СО, СН 4 і ін Газова цементація проходить швидше, так як не потребує часу на прогрів скриньки і карбюризатора. Шар товщиною 1 мм утворюється за 6-7 ч.
Після цементації характерно нерівномірний розподіл вуглецю по перерізу деталі. Отриманий в результаті цементації зовнішній шар містить більше 0,8% вуглецю і має структуру заевтектоідних сталей - перліт і вторинний цементит. Глибше лежить шар евтектоїдних складу з перлітною структурою, а далі - шар з феррито-перлітною структурою. Крім того, після цементації через тривалої витримки при високих температурах стали набувають грубозерниста.
3. Азотування стали
Азотуванням називається процес насичення поверхневого шару азотом.
Метою азотування є створення поверхневого шару з високою твердістю, зносостійкістю, підвищеної втомної міцністю і опором корозії.
Процес азотування полягає у витримці протягом досить тривалого часу (до 60 год) деталей в атмосфері аміаку при 500-600 ° С. При більш високій температурі утворюються більші нітриди і твердість зменшується. Азотування проводять в сталевих герметично закритих ретортах, у які надходить аміак .. Реторту поміщають в нагрівальну піч. Надходить з балонів аміак при нагріванні розкладається на азот і водень:
NH 3 → 3 H + N.
Активні атоми азоту проникають в грати α-заліза і дифундують в ній. Утворені при цьому нітриди заліза ще не забезпечують достатньо високої твердості. Високу твердість азотированного шару надають нітриди легуючих елементів, насамперед хрому, молібдену, алюмінію. При спільному легуванні стали Cr, Mo, A 1 твердість азотированного шару по Вік-керс досягає HV 1200, в той час, як після цементації і загартування твердість HV 900.
Завдяки високій твердості нітридів легуючих елементів азотуванню зазвичай піддають леговані середньовуглецеві сталі. До таких сталям відносяться 38Х2МЮА, 35ХМА, більш дешева 38Х2Ю, а також деякі штампові стали, наприклад 3 X 2 BS, 5ХНМ.
Азотуванню зазвичай піддають готові вироби, які пройшли механічну і остаточну термічну обробку (загартування з високим відпуском). Після такої термічної обробки метал набуває структури сорбіту, що має високу міцність і в'язкість. Ця структура зберігається в серцевині деталі і після азотування. Висока міцність металевої основи необхідна для того, щоб тонкий і крихкий азотований шар продавлюється при роботі деталі. Висока твердість після азотування досягається відразу і не вимагає наступної термічної обробки. Це важлива перевага процесу азотування.
Ділянки, які не підлягають азотуванню, захищають нанесенням тонкого шару олова (10-15 мкм) електролітичним методом або рідкого скла. Глибина азотированного шару становить 0,3 - 0,6 мм. Через порівняно низьких температур швидкість азотування значно менше, ніж при цементації і складає всього 0,01 мм / год і менше.
У порівнянні з цементацією азотування має ряд переваг і недоліків. Перевагами азотування є більш висока твердість і зносостійкість поверхневого шару, збереження ним високих властивостей при нагріванні до 500 ° С, а також високі корозійні властивості. У азотированного шарі створюються залишкові напруження стиску, що підвищує втомну міцність. Крім того, після азотування не потрібно гарту, що дозволяє уникнути супутніх загартуванню дефектів.
Недоліками азотування в порівнянні з цементацією є більш висока тривалість процесу і необхідність застосування дорогих легованих сталей. Тому азотування застосовують у разі виготовлення більш відповідальних деталей, від яких потрібно особливо висока якість поверхневого шару.
Азотування застосовують в машинобудуванні для виготовлення вимірювального інструменту, гільз, циліндрів, зубчастих коліс, шестерень, втулок, колінчастих валів та ін
Ціанування стали
Ціануванням (нитроцементацией) називається процес спільного насичення поверхні сталевих деталей азотом і вуглецем.
Основна мета ціанування полягає у підвищенні твердості і зносостійкості деталей.
При ціанування нагрів здійснюється або в розплавлених солях, що містять ціанисті солі NaCN або KCN, або в газовому середовищі, що складається з суміші СН 4 і NH 3. Склад і властивості ціанірованного шару залежать від температури проведення ціанування.
У залежності від температури процесу розрізняють високотемпературне (850-950 ° С) і низькотемпературне (500-600 ° С) ціанування. Чим вище температура ціанування, тим менше насичення поверхневого шару азотом і більше вуглецем. Спільна дифузія вуглецю та азоту протікає швидше, ніж у цих елементів окремо.
При низькотемпературному ціанування поверхневий шар насичується переважно азотом. Низькотемпературного ціанування зазвичай піддають остаточно виготовлений і за-точений ріжучий інструмент з швидкорізальних марок сталі з метою підвищення його зносостійкості і красностойкості. Після низькотемпературного ціанування відпустку не проводиться. Глибина ціанірованного шару 0,01-0,04 мм про твердістю HV 1000.
Після високотемпературного ціанування на глибину 0,6 - 1,8 мм протягом 3-10 год деталі піддають гарту і низькому відпуску, Твердість після термообробки складає HRC 59-62.
У порівнянні з цементовий ціанірованний шар має дещо вищу твердість і зносостійкість, а також більш високий опір корозії. У ваннах можна піддавати ціанування дрібні деталі, наприклад деталі годинникових механізмів, для яких достатньо отримання шару невеликої товщини.
Недоліком ціанування є більш висока вартість процесу, пов'язана з необхідністю суворого дотримання правил техніки безпеки з-за високої токсичності ціаністих солей.
Дифузійна металізація
Дифузійної металізацією називається процес дифузійного насичення поверхневих шарів сталі різними металами. Деталі, поверхня яких насичена алюмінієм, хромом, кремнієм, бором, набувають ряд цінних властивостей, наприклад жаростійкість, корозійну стійкість, підвищену зносостійкість і твердість.
Металізація буває тверда, рідинна та газова. При рідинній металізації сталева деталь занурюється в розплав металу. При твердій і газовій металізації насичення відбувається за допомогою летючих сполук хлору з металом А1С1 3, CrCl 3, SiCl 4, які при температурі 1000-1100 ° С вступають в обмінну реакцію з залізом з утворенням диффундирующего елемента в активному стані.
При алітірованія, тобто насичення алюмінієм, яке зазвичай проводиться в порошкоподібних сумішах або розплавленому алюмінії, деталі набувають підвищену корозійну стійкість завдяки утворенню щільної плівки А1 2 О 3, що оберігає метал від окислення. Товщина шару складає 0,2-0,5 мм.
При хромуванні забезпечується висока стійкість проти газової корозії до 800 ° С, а також стійкість проти корозії у воді, морській воді і кислотах. Товщина шару складає до 0,2 мм.
Силицирование, тобто насичення кремнієм, надає високу кислототривкість в соляній, сірчаної та азотної кислотах і застосовується для деталей, що використовуються в хімічній та нафтовій промисловості. Товщина шару коливається в межах 0,3-1,0 мм.
Борирование надає поверхневому шару виключно високу твердість (до HV 1800-2000), зносостійкість і стійкість проти корозії в різних середовищах. Борирование часто проводять при електролізі розплавлених солей, наприклад бури Na 2 B 2 O 7, коли сталева деталь є катодом. При температурі близько 150 ° С і витримці 2-5 год на поверхні утворюється твердий борид заліза і товщина шару досягає 0,1-0,2 мм.