Хіміко-термічна обробка

смотреть на реферати схожі на «Химико-термическая обробка «.

Чуваський державний університет ім. І. М. Ульянова.

Кафедра материаловедения.

РЕФЕРАТ.

Химико-термическая обработка:

Цементація, азотування, цианирование.

Выполнил:

Студент грн. МС-12−98.

Карпов З. Н.

Проверил.

Преподаватель.

Алексєєва М. А.

Чебоксар, 1999 год.

Химико-термическая обробка стали.

ЦЕМЕНТАЦИЯ.

Цементація — найпоширеніший у машинобудуванні спосіб химикотермічної обробки сталевих деталей — застосовується щоб одержати високої поверхневою твердості, зносостійкості і усталостной міцності деталей. Ці властивості досягаються збагаченням поверхневого шару низьковуглецевої і нелегованої стали вуглецем до концентрації эвтектоидной чи заэвтектоидной і наступного термічної обробкою, повідомляла поверхневому прошарку структуру мартенситу з тим або іншим залишковим кількістю залишкового аустеніту і карбидов.

Глибина цементированного шару звичайно знаходиться не більше 0,5 — 2,0 мм (іноді для дрібних деталей не більше 0,1 — 0,3 мм, а великих — більш 2,0 мм). Цементацию сталевих деталей ведуть у твердих, газових і рідких карбюризаторах. Останніми роками дедалі більше розвиток отримує газова цементация.

Диффузия вуглецю в сталь.

По кількісної характеристиці дифузії вуглецю в залізо накопичені численні данные.

Коефіцієнт дифузії вуглецю в ?-залізо понад порядок вище, ніж у ?-залізо, має значно більше щільно упаковану решетку.

Дифузія вуглецю в феррите зумовлює можливість перебіг таких низькотемпературних процесів, як коагуляція і сфероидизация карбідів в отожженной стали, карбидообразование за відпускання загартованою стали, графитизация тощо. буд. Проте, цементація при високих температурах існування ?- заліза немає через незначною розчинності у цій фазі вуглецю. Цементація проводиться при високих температурах 920−950 ?З повагою та вище, у яких сталь перебуває у аустенитном состоянии.

Концентрационная залежність коефіцієнта дифузії вуглецю в аустените виражається уравнением:

Dc=(0,07 + 0,06C%)e -32 000/RT Чи з інших даних: Dc=(0,04 + 0,08C%)e -31 350/RT.

З залежностей слід, що коефіцієнт дифузії вуглецю в аустените збільшується зі збільшенням змісту вуглецю в стали. Це, очевидно, пов’язані з збільшенням спотворення кристалічною грати аустеніту і термодинамической активністю углерода.

Легирующие елементи істотно впливають на дифузію вуглецю в аустените, що пов’язані з спотворенням кристалічною грати, зміною енергії межатомной зв’язку в твердому розчині і термодинамической активності углерода.

Результати вивчення впливу легуючих елементів на коефіцієнт дифузії вуглецю в аустените при 1100о З наведено малюнку 1. При інших температурах вплив деяких елементів на коефіцієнт дифузії вуглецю в аустените змінюється. карбидообразующие елементи зазвичай уповільнюють, а некарбидообразующие прискорюють дифузію вуглецю. Проте, слід зазначити, що це узагальнення потребує суттєвої уточнення. Так, наприклад, кремній збільшує коефіцієнт дифузії вуглецю в аустените при низьких температурах (нижче 950о З), що цілком узгоджується з поданням щодо кремнії як «про некарбидообразующем елементі, искажающем кристалічну грати аустеніту і як наслідок ускоряющем диффузию.

Сталь для цементации.

Цементированные деталі після відповідної термічної обробки повинен мати твердий, міцний поверхневий пласт, стійкий проти зносу і продавлювання, і міцну і в’язку серцевину. У зв’язку з останнім вимогою для цементації застосовують низкоуглеродистую сталь, що містить 0,08 — 0,25%С.

Останніми роками для высоконагруженных зубчастих коліс та інших відповідальних, зокрема великих, деталей почали використовувати цементуемую сталь з вищим (0,25 — 0,35%) змістом вуглецю. Тому стало можливим зменшити глибину цементованного шару, не побоюючись його продавлювання на великих навантаженнях, запобігти передчасне руйнація поверхневого шару через пластичної деформації верств металу, лежачих безпосередньо під цим прошарком, і навіть гартувати серцевину з дешевше температури без перегріву цементованного слоя.

Позитивне вплив підвищення змісту вуглецю в цементованной стали відзначалося у низці наступних робіт. Показано, що передвиборне збільшення вмісту у деяких сталях вуглецю підвищує межа їх витривалості лише у разі одночасного деякого зниження глибини цементованного слоя.

Для цементації широко використовують низкоуглеродистую якісну сталь (08, 10, 15 і 20) і автоматну сталь (А12, А15, А15Г, А20), а неответственных деталей низкоуглеродистую сталь звичайного чи підвищеного якості (Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, М12, М16, Б09, Б16 та інших.). відповідальні вироби виготовляються з легованої стали.

Основне призначення легуючих елементів в цементуемой стали — підвищення його прокаливаемости і механічних властивостей серцевини. Більшості легуючих елементів знижує схильність зерна стали до зростання при нагріванні, а окремі покращують механічні властивості цементованного слоя.

Цементация у різних средах.

o Цементація в твердому карбюризаторе. o Цементація в твердому карбюризаторе з нагріванням струмом високої частоты.

(далі тонн на. год.). o Цементація в пастах. o Цементація в пастах з нагріванням тонн на. год. o Газова цементація. o Високотемпературна газова цементація сталі у печах. o Цементація з нагріванням тонн на. год. o Іонна цементація. o Газова цементація кислородно-ацетиленовым полум’ям. o Цементація в рідкої середовищі. o Цементація в розплавленому чугуне.

Як очевидно з наведеного списку видів цементації, існує значна частина. Зупинимося докладніше на газової цементації, оскільки він використовується досить часто.

Газовая цементация.

Можливість цементації сталі у газової середовищі було показано ще роботі П. П. Аносова, виконаною в 1837 року. Але тільки майже через років (в 1935 р.) той процес почали вперше впроваджувати у виробництві в високопродуктивних муфельних печах безперервного дії на автозаводі їм. Ліхачова. Причому у ролі газового карбюризатора було використано середовище, отримувана при піролізі і крекінгу керосина.

Для газової цементації поки що часто застосовують шахтні муфельные печі і печі безперервного дії з довгими горизонтальними муфелями з окалиностойкого сплаву. Зрідка застосовують також печі з обертовими ретортами. Останніми роками почали отримувати від дедалі більшого поширення безмуфельные печі безперервного дії, нагреваемые що випромінюють трубками зі сталі Х23Н18 чи Х18Н25С2.

Деталі завантажують в печі в піддонах (в кошиках) чи різних пристосуваннях, де вони розташовуються з відривом 5 — 10 мм між цементуемыми поверхнями; дрібні деталі завантажують скільки завгодно на етажерки, вміщувані в корзины.

Для газової цементації використовують різні карбюризаторы — гази: природний (92 — 97% СН4); природний розведений для міських потреб (60 — 90% СН4); светильный (20 — 35% СН4, 5 — 25% ЗІ): нафтової (50 — 60% СН4): коксовий (20 — 25% СН4, 4 — 10% ЗІ); скраплені: пропан, бутан, пропанобутановая смесь.

Складні вуглеводні, що входять у склад карбюризаторов чи утворюються при з розкладанні внаслідок низки проміжних реакцій, розпадаються переважно до метану. При крекінгу вуглеводнів, який виробляється зниження їх активності чи одержання эндогаза, утворюється також ЗІ. Отже, хімізм виділення атомарної вуглецю при газової цементації зводиться до розпаду метану і окису углерода.

СН4 = З + 2Н2.

2СО = СО2 + С.

Метан є активним карбюризатором ніж окис. Для науглероживания заліза при 900−1000 градусів в суміші СН4;-Н2 досить наявності лише кількох відсотків метану, тоді як цементації в суміші ЗІСО2 необхідна концентрація близько 95−97% СО.

Свойства цементованной стали.

Оптимальний зміст вуглецю в поверхневою зоні цементованного шару більшості сталей 0,8−0,9%C, в такому його кількості сталь має високої зносостійкості. Подальше підвищення зміст вуглецю зменшує межі витривалості та міцності стали при статичних і динамічних випробуваннях. Проте особливо износостоек цементованный шар при кілька підвищеному вмісті у ньому вуглецю (за деякими даними до 1,2% З). у своїй після термічної обробки цементованный шар повинен мати структуру мелкоигольчатого чи скрытокристаллического мартенситу із дрібними глобулями карбідів і невеликою кількістю залишкового аустенита.

Цементація підвищує межа витривалості стали. Пояснюється це, виникненням в шарі залишкових стискають напруг у зв’язки й з неоднаковим зміною обсягу шару і серцевини сталі у процесі цементації і гарту. Найбільше підвищення краю витривалості досягається при цементації на порівняно не велику глибину, коли цементованный шар набуває після гарту мартенситную структуру з мінімальним кількістю залишкового аустеніту, у результаті в шарі виникають максимальні стискаючі напряжения.

Азотирование.

Азотированием (азотизацией чи нитрированием) стали називається процес поверхового насичення стали азотом.

Азотированию, як і цементації, піддають деталі, працівники знос і сприймають знакопеременные навантаження. Азотированные деталі мають такі переваги: високу твердість, зносостійкість, теплостойкость і корозійну стійкість. Оскільки азотированию піддають переважно леговані стали певних потягів і процес має велику тривалість (30−60 год.), застосування його виявляється економічно доцільним тільки до обробки відповідальних інструментів, і деталей авіамоторів, дизелів, турбін, приладів та т. п.

Насыщаемость заліза молекулярным азотом при атмосферному тиску і температурі до 1500 градусів невелика, але її можна збільшити, створивши печі високе тиск (кілька сотень атмосфер). Але це спосіб насичення заліза азотом доки представляє практичного інтересу через її трудоемкости.

Для насичення доцільніше використовувати атомарний азот, утворений в останній момент розкладання сполук, містять цей елемент. Як такого сполуки зазвичай застосовують аміак, дисоціація якого супроводжується виділенням азоту в атомарному активному стані, який, проте, невдовзі перетворюється на молекулярне стан і втрачає свою активность:

2NH3 = 2N + 6H.

2N N2.

6H 3H2.

Тому азотування інтенсивно протікає лише тому випадку, коли дисоціація аміаку відбувається у безпосередній близькості до азотируемой поверхности.

Стали для азотирования.

Усі ширше застосовується азотування аустенитных і нержавіючих теплостійких сталей.

Аустенитная сталь, як відомо, має низьку зносостійкість, але водночас має низку цінних властивостей: парамагнитностью, високої жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стійкістю та високої ударної в’язкістю за нормальної температури нижче 0 0С.

Азотування — найефективніший спосіб підвищення зносостійкості аустенитных нержавіючих сталей.

У багатьох зарубіжних робіт освітлені результати досліджень сталей, містять титан. Ці стали азотируются швидше, ніж хромомолибденоаллюминиевая, і вирізняються вищої поверхневою твердістю і красностойкостью.

Розроблено сталь, що містить 18% Ni, насичення азотом при 425−455 градусів протягом 20 год призводить до перетворення на поверхневому шарі феррита в аустенит, а останній, при охолодженні надворі перетворюється на мартенсит.

Рекомендовано піддавати азотированию (замість цианирования) інструмент з быстрорежущих сталей Р9 і Р18.

Азотированию піддають також деталі із високоміцного магнієвого чавуну (зокрема, колінчаті вали тепловози й деталі зі спеціальних чавунів, легованих алюминием).

Свойства азотированной легованої стали.

Азотированный шар має високої твердістю і зносостійкості. Зносостійкість азотированной сталі у 1,5−4 разу вищу зносостійкості загартованих высокоуглеродистых, цементованных, і навіть цианированных і нитроцементованных сталей.

Азотування знижує в’язкість стали, підвищує її міцність, послаблює вплив концентраторів напруг на зниження краю витривалості сталі та істотно підвищує межа витривалості, особливо тонких деталей і деталей, що працюють у деяких коррозионных средах.

Азотування підвищує опір задираемости і налипанию металу під навантаженням і особливо в підвищених температурах.

Азотированная сталь має теплостойкостью (красностойкостью), і його твердість зберігається після впливу високих температур. Наприклад, сталь 38ХМЮА зберігає свою твердість при нагріванні до 500−520 градусів протягом кілька десятків годин. Ще велику стійкість твердості проти впливу температур (до 600 градусів) має аустенитная сталь. Проте за тривалої експлуатацію у умовах високих температур азотированный шар поступово розсмоктується, лежить на поверхні утворюються окисли й відбувається глибока дифузія кисню по нитридным прожилкам, що утворюється як і процесі азотирования, і якщо нагріванні під час эксплуатации.

Через війну азотирования коррозионная стійкість конструкційної сталі (серед повітря, водогінної воді, перегрітому парі, слабких лужних розчинах) підвищується, і, навпаки, аустенитной хромонікелевої і нержавіючої хромистой стали деяких марок знижується. Окалиностойкость останніх сталей також знижується. Це тим, що у азотированном шарі цих сталей з твердого розчину усувається значної частини хрому, вхідного у складі які виникають нитридов. У аустенитной стали деяких складів, приміром, із малим змістом нікелю, це може супроводжуватися навіть випаданням в азотированном шарі ?-фази, у результаті поверховий шар стає злегка магнитным.

Азотированная сталь має високої эрозионной стійкістю в потоках гарячої води і водяного пара.

Цианирование.

Для цианирования на невелику глибину використовують ванни составом:

№ 1 NaCN 20−25%, NaCl 25−50%, Na2CO3 25−50%, температура цианирования 840−870 градусів, тривалість процесу — 1ч.

№ 2 цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl2 55%.

Реакції що у ванній № 1:

2NaCN + O2 = 2NaCNO.

2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 2N + CO. реакції що у ванній № 2:

Ca (CN)2 = CaCN2 + C.

CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N.

2Ca (CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.

Після цианирования безпосередньо з ванної виробляється закалка.

Структура нитроцементованного і цианированного слоя.

При цианировании при 850−900 градусів в ціанистих ваннах, містять цианплав, і за глибокому цианировании при 900−950 градусів в низьковідсоткових ваннах з ціанистим натрієм і хлористим барієм сталь із поверхні насичується вуглецем приблизно до тієї ж концентрації, що й за цементації, і тільки трохи азотом. При цианировании у ванні № 1 сталь насичується вуглецем трохи менше, аніж за цементації, а азотом в поверхневою зоні шару більше, ніж у сусідніх ваннах.

Низкотемпературная нитроцементация і цианирование.

Низькотемпературної нитроцементации і цианированию при 560−700 градусів піддаються стали різного призначення підвищення їх поверхневою твердості, зносостійкості, краю витривалості, теплостойкости і противозадирных властивостей. Зазвичай така обробка проводиться при 560−580 градусів, т. е. за нормальної температури, яка трохи нижчу від мінімальної температури існування ?-фази у системі Fe — N. Тож у процесі обробки при такий температурі на стали утворюється, сутнісно, азотированный шар, а вуглець проникає на глибину лише кількох мікрон, де може утворюватися тонка карбонитридная зона.

Свойства нитроцементованной і цианированной стали.

Нитроцементованная і цианированная конструкційна сталь завдяки присутності азоту більш износостойка, ніж цементованная.

Нитроцементация і цианирование роблять межа витривалості, причому нитроцементация більшою мірою, ніж цианирование, а часом більшою мірою, ніж цементация.

При цианировании неможливо регулювати концентрацію азоту та вуглецю в шарі. Тож у цианированном шарі кількість залишкового аустеніту більше, ніж у нитроцементованном.

У зв’язку з цим стискаючі напруги створюють у цианированном шарі тільки деякій відстані від поверхні, що зумовлює зниження краю витривалості стали. Цим і пояснюється менша довговічність цианированных деталей проти нитроцементованными.

При цианировании необхідно здійснювати наклеп деталей дробом, створює лежить на поверхні (внаслідок перетворення залишкового аустеніту в мартенсит) високі напруги стискування. Усталостные випробування зубів цианированных зубчастих коліс на вигин з циклічною навантаженням показали, що наклеп дробом підвищує межа витривалості з 43 до 72 кГ/мм2.

Випробування на стенді показали, що коїлося після наклепа дробом стійкість (до руйнації) цианированных зубчастих коліс зросла з 9 до 140 ч.

Сталь, піддана нитроцементации і має лежить на поверхні тонкий нетравящийся карбонитридный шар (що трапляється який завжди), кородує повільніше нецианированной стали. Наприклад, в 3%-ном розчині кухонної солі стійкість такий стали проти корозії вдвічі вище, ніж нецианированной. Коррозионная стійкість нержавіючих сталей після нитроцементации і цианирования снижается.

Використана литература:

А. М. Минкевич.

" Химико-термическая обробка металів і сплавів «.

Видавництво «Машинобудування «.

Москва, 1965 г.