Технология

Химико-термическая обработка



          Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова


                          Кафедра материаловедения.



                                   РЕФЕРАТ


                        Химико-термическая обработка:

                   Цементация, азотирование, цианирование.



                                   Выполнил:
                                   Студент гр. МС-12-98
                                   Карпов С. Н.

                                   Проверил
                                   Преподаватель
                                   Алексеева Н. А.



                            Чебоксары, 1999 год.

                     Химико-термическая обработка стали.


                                 ЦЕМЕНТАЦИЯ.

      Цементация - наиболее распространенный в машиностроении способ химико-
термической обработки стальных деталей - применяется для  получения  высокой
поверхностной твердости, износостойкостью и усталостной  прочности  деталей.
Эти свойства достигаются обогащением поверхностного  слоя  низкоуглеродистой
и  нелегированной  стали  углеродом   до   концентрации   эвтектоидной   или
заэвтектоидной   и   последующей    термической    обработкой,    сообщающей
поверхностному  слою  структуру  мартенсита  с  тем  или   иным   остаточным
количеством остаточного аустенита и карбидов.
      Глубина цементированного слоя обычно находится в пределах 0,5 - 2,0 мм
(иногда для мелких деталей в пределах 0,1 - 0,3 мм, а для  крупных  -  более
2,0 мм). Цементацию стальных  деталей  осуществляют  в  твердых,  газовых  и
жидких карбюризаторах. За  последние  годы  все  большее  развитие  получает
газовая цементация.

Диффузия углерода в сталь.

      По количественной характеристике диффузии углерода в железо  накоплены
многочисленные данные.
      Коэффициент диффузии углерода в ?-железо более чем  на  порядок  выше,
чем в ?-железо, имеющее значительно более плотно упакованную решетку.
      Диффузия углерода в феррите обуславливает возможность протекание таких
низкотемпературных процессов, как  коагуляция  и  сфероидизация  карбидов  в
отожженной  стали,  карбидообразование   при   отпуске   закаленной   стали,
графитизация и т. д. Однако, цементация при  температурах  существования  ?-
железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой  фазе  углерода.
Цементация проводится при температурах 920-950 ?С и выше, при которых  сталь
находится в аустенитном состоянии.
      Концентрационная  зависимость   коэффициента   диффузии   углерода   в
аустените выражается уравнением:
      Dc=(0,07 + 0,06C%)e -32000/RT
Или по другим данным:
Dc=(0,04 + 0,08C%)e -31350/RT.
      Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода
в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода  в  стали.  Это,
очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки  аустенита
и термодинамической активностью углерода.
      Легирующие  элементы  оказывают  существенное  влияние   на   диффузию
углерода в аустените, что  связано  с  искажением  кристаллической  решетки,
изменением энергии межатомной связи в твердом растворе  и  термодинамической
активности углерода.
      Результаты  изучения  влияния  легирующих  элементов  на   коэффициент
диффузии углерода в аустените при  1100о  С  приведены  на  рисунке  1.  При
других температурах влияние  некоторых  элементов  на  коэффициент  диффузии
углерода  в  аустените   изменяется.   карбидообразующие   элементы   обычно
замедляют,  а  некарбидообразующие  ускоряют  диффузию   углерода.   Однако,
следует заметить, что это обобщение требует  существенного  уточнения.  Так,
например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените  при
низких температурах (ниже  950о  С),  что  согласуется  с  представлением  о
кремнии  как  о  некарбидообразующем  элементе,  искажающем  кристаллическую
решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию.

                            Сталь для цементации.

      Цементированные детали  после  соответствующей  термической  обработки
должны иметь твердый, прочный поверхностный слой, стойкий  против  износа  и
продавливания,  и  достаточно  прочную  и  вязкую  сердцевину.  В  связи   с
последним требованием  для  цементации  применяют  низкоуглеродистую  сталь,
содержащую 0,08 - 0,25 %С.
      В  последние  годы  для  высоконагруженных  зубчатых  колес  и  других
ответственных, в том числе крупных, деталей начали использовать  цементуемую
сталь  с  более  высоким  (0,25  -  0,35%)  содержанием  углерода.   Поэтому
оказалось возможным уменьшить глубину цементованного слоя, не  опасаясь  его
продавливания   при   больших   нагрузках,   предотвратить   преждевременное
разрушение поверхностного слоя из-за пластической деформации слоев  металла,
лежащих непосредственно под этим слоем,  а  также  закаливать  сердцевину  с
более низкой температуры без перегрева цементованного слоя.
      Положительное влияние повышения содержания  углерода  в  цементованной
стали отмечалось и  в  ряде  последующих  работ.  Показано,  что  увеличение
содержания в некоторых сталях углерода повышает предел их выносливости  лишь
в случае одновременного некоторого снижения глубины цементованного слоя.
      Для цементации широко используют низкоуглеродистую качественную  сталь
(08, 10, 15  и  20)  и  автоматную  сталь  (А12,  А15,  А15Г,  А20),  а  для
неответственных   деталей   низкоуглеродистую   сталь   обыкновенного    или
повышенного качества (Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, М12, М16,  Б09,  Б16  и  др.).
ответственные изделия изготавливают из легированной стали.
      Основное  назначение  легирующих  элементов  в  цементуемой  стали   -
повышение ее прокаливаемости и механических свойств сердцевины.  Большинства
легирующих элементов понижает склонность зерна стали к росту при нагреве,  а
некоторые из них улучшают механические свойства цементованного слоя.

Цементация в разных средах.


 o Цементация в твердом карбюризаторе.
 o Цементация в твердом  карбюризаторе  с  нагревом  током  высокой  частоты
   (далее т. в. ч.).
 o Цементация в пастах.
 o Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.
 o Газовая цементация.
 o Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.
 o Цементация с нагревом т. в. ч.
 o Ионная цементация.
 o Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.
 o Цементация в жидкой среде.
 o Цементация в расплавленном чугуне.

      Как видно из  приведенного  списка  видов  цементации,  их  существует
довольно много. Остановимся подробнее на газовой  цементации,  так  как  она
используется довольно часто.

Газовая цементация.

      Возможность цементации стали в  газовой  среде  была  показана  еще  в
работе П. П. Аносова, выполненной в 1837 году.  Однако  только  почти  через
сто лет (в 1935 г.) этот процесс начали впервые внедрять  в  производство  в
высокопроизводительных муфельных печах непрерывного действия  на  автозаводе
им. Лихачева. При этом в качестве газового карбюризатора  была  использована
среда, получаемая при пиролизе и крекинге керосина.
      Для газовой цементации пока еще часто применяют шахтные муфельные печи
и  печи  непрерывного  действия  с  длинными  горизонтальными  муфелями   из
окалиностойкого  сплава.  Изредка  применяют  также  печи   с   вращающимися
ретортами. В последние годы  начали  получать  все  большее  распространение
безмуфельные печи непрерывного действия,  нагреваемые  излучающими  трубками
из стали Х23Н18 или Х18Н25С2.
      Детали загружают в печи  в  поддонах  (в  корзинах)  или  в  различных
приспособлениях, на которых они располагаются на расстоянии 5 - 10 мм  между
цементуемыми поверхностями; мелкие детали  загружают  навалом  на  этажерки,
помещаемые в корзины.
      Для газовой цементации  используют  различные  карбюризаторы  -  газы:
природный (92 - 97% СН4); природный разбавленный для городских  нужд  (60  -
90% СН4); светильный (20 - 35% СН4, 5 - 25% СО): нефтяной (50  -  60%  СН4):
коксовый (20 - 25% СН4, 4 - 10%  СО);  сжиженные:  пропан,  бутан,  пропано-
бутановая смесь.
      Сложные углеводороды,  которые  входят  в  состав  карбюризаторов  или
образуются при  из  разложении  в  результате  ряда  промежуточных  реакций,
распадаются в  основном  до  метана.  При  крекинге  углеводородов,  который
производится для снижения их активности или получения  эндогаза,  образуется
также СО. Таким образом, химизм выделения атомарного  углерода  при  газовой
цементации сводится  к распаду метана и окиси углерода.
                               СН4 = С + 2Н2.
                               2СО = СО2 + С.
      Метан  является  более  активным   карбюризатором   чем   окись.   Для
науглероживания железа при 900-1000 0С в смеси  СН4;-Н2  достаточно  наличия
всего лишь нескольких процентов метана, тогда как для цементации в смеси СО-
СО2 необходима концентрация около 95-97% СО.

Свойства цементованной стали.

      Оптимальное содержание углерода в  поверхностной  зоне  цементованного
слоя большинства сталей 0,8-0,9%C, при таком его количестве  сталь  обладает
высокой  износостойкостью.   Дальнейшее   увеличение   содержание   углерода
уменьшает  пределы  выносливости  и  прочности  стали  при   статических   и
динамических испытаниях. Однако наиболее износостоек цементованный слой  при
несколько повышенном содержании в нем углерода (по некоторым данным до  1,2%
С). при этом после термической обработки  цементованный  слой  должен  иметь
структуру мелкоигольчатого или скрытокристаллического мартенсита  с  мелкими
глобулями карбидов и небольшим количеством остаточного аустенита.
      Цементация  повышает  предел  выносливости  стали.  Объясняется   это,
возникновением  в  слое  остаточных   сжимающих   напряжений   в   связи   с
неодинаковым  изменением  объема  слоя  и  сердцевины   стали   в   процессе
цементации и закалки. Наибольшее повышение предела выносливости  достигается
при цементации на сравнительно небольшую глубину, когда  цементованный  слой
приобретает после закалки мартенситную структуру с  минимальным  количеством
остаточного аустенита, в результате  чего  в  слое   возникают  максимальные
сжимающие напряжения.


                                Азотирование.

      Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс
поверхностного насыщения стали азотом.
      Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ
и  воспринимающие  знакопеременные  нагрузки.  Азотированные  детали   имеют
следующие преимущества: высокую твердость,  износостойкость,  теплостойкость
и  коррозийную  стойкость.  Так  как  азотированию  подвергают  в   основном
легированные  стали  определенных   составов   и   процесс   имеет   большую
продолжительность  (30-60  ч.),  применение  его  оказывается   экономически
целесообразным лишь  для  обработки  ответственных  инструментов  и  деталей
авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.
      Насыщаемость железа молекулярным азотом  при  атмосферном  давлении  и
температуре до 1500 0С невелика, однако ее можно увеличить,  создав  в  печи
высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ  насыщения  железа
азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.
      Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся
в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В  качестве  такого
соединения обычно  применяют  аммиак,  диссоциация  которого  сопровождается
выделением азота в атомарном активном  состоянии,  который,  однако,  вскоре
переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:
                               2NH3 = 2N + 6H
                                 2N       N2
                                6H       3H2.
      Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь  в  том  случае,  когда
диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости   от  азотируемой
поверхности.

Стали для азотирования.

      Все  шире   применяется   азотирование   аустенитных   и   нержавеющих
теплостойких сталей.
      Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то
же  время  обладает  рядом   ценных   свойств:   парамагнитностью,   высокой
жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой  ударной
вязкостью при температуре ниже 0 0С.
      Азотирование - наиболее эффективный способ  повышения  износостойкости
аустенитных нержавеющих сталей.
      В ряде  зарубежных  работ  освещены  результаты  исследований  сталей,
содержащих     титан.     Эти     стали     азотируются     быстрее,     чем
хромомолибденоаллюминиевая,  и  отличаются   более   высокой   поверхностной
твердостью и красностойкостью.
      Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455  0С
в течение 20 ч  приводит  к  превращению  в  поверхностном  слое  феррита  в
аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.
      Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент
из быстрорежущих сталей Р9 и Р18.
      Азотированию подвергают  также  детали  из  высокопрочного  магниевого
чугуна (в частности, коленчатые  валы  тепловоза  и  детали  из  специальных
чугунов, легированных алюминием).

Свойства азотированной легированной стали.

      Азотированный слой обладает  высокой  твердостью  и  износостойкостью.
Износостойкость  азотированной  стали  в  1,5-4  раза  выше  износостойкости
закаленных  высокоуглеродистых,  цементованных,  а  также  цианированных   и
нитроцементованных сталей.
      Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность,  ослабляет
влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости  стали  и
существенно  повышает  предел  выносливости,  особенно  тонких   деталей   и
деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.
      Азотирование повышает сопротивление задираемости и  налипанию  металла
под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.
      Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и  ее
твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например,  сталь
38ХМЮА сохраняет  свою  твердость  при  нагреве  до  500-520  0С  в  течение
нескольких  десятков  часов.  Еще  большую  устойчивость  твердости   против
воздействия температур (до 600  0С)  имеет  аустенитная  сталь.  Однако  при
длительной эксплуатации в условиях  высоких  температур  азотированный  слой
постепенно рассасывается, на  поверхности  образуются  окислы  и  происходит
глубокая диффузия кислорода  по  нитридным  прожилкам,  образующимся  как  в
процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.
      В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали
(в среде воздуха,  водопроводной  воде,  перегретом  паре,  слабых  щелочных
растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и  нержавеющей
хромистой  стали  некоторых  марок  понижается.  Окалиностойкость  последних
сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое  этих
сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома,  входящего
в состав образующихся нитридов.  В  аустенитной  стали  некоторых  составов,
например  с  малым  содержанием  никеля,  это  может   сопровождаться   даже
выпадением в азотированном слое  ?-фазы,  в  результате  чего  поверхностный
слой становится слегка магнитным.
      Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью  в  потоках
горячей воды и водяного пара.

                                Цианирование.

      Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом:
      №1     NaCN  20-25%,   NaCl   25-50%,   Na2CO3   25-50%,   температура
цианирования 840-870 0С, продолжительность процесса - 1ч.
      №2    цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl2 55%.
      Реакции идущие в ванне №1:
                             2NaCN + O2 = 2NaCNO
                       2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 2N + CO.
      реакции идущие в ванне №2:
                             Ca(CN)2 = CaCN2 + C
                         CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N
                      2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.
      После цианирования непосредственно из ванны производится закалка.

Структура нитроцементованного и цианированного слоя.

      При  цианировании  при  850-900  0С  в  цианистых  ваннах,  содержащих
цианплав, и при глубоком  цианировании  при  900-950  0С  в  низкопроцентных
ваннах  с  цианистым  натрием  и  хлористым  барием  сталь   с   поверхности
насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при  цементации,
и лишь  немного  азотом.  При  цианировании  в  ванне  №1  сталь  насыщается
углеродом несколько меньше, чем при цементации,  а  азотом  в  поверхностной
зоне слоя больше, чем в других ваннах.

Низкотемпературная нитроцементация и цианирование.

      Низкотемпературной  нитроцементации  и  цианированию  при  560-700  0С
подвергаются стали различного  назначения  для  повышения  их  поверхностной
твердости,   износостойкости,   предела   выносливости,   теплостойкости   и
противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при  560-580  0С,
т.  е.  при  температуре,  которая  немного  ниже  минимальной   температуры
существования  ?-фазы в системе Fe - N. Поэтому  в  процессе  обработки  при
такой температуре на стали образуется, по существу,  азотированный  слой,  а
углерод  проникает  на   глубину   лишь   нескольких   микрон,   где   может
образовываться тонкая карбонитридная зона.

Свойства нитроцементованной и цианированной стали.

      Нитроцементованная и  цианированная  конструкционная  сталь  благодаря
присутствию азота более износостойка, чем цементованная.
      Нитроцементация   и   цианирование   существенно    повышают    предел
выносливости, причем нитроцементация в большей степени, чем цианирование,  а
в ряде случаев в большей степени, чем цементация.
      При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода
в слое.  Поэтому  в  цианированном  слое  количество  остаточного  аустенита
всегда больше, чем в нитроцементованном.
      В связи с этим сжимающие напряжения  создаются  в  цианированном  слое
лишь на  некотором  расстоянии  от  поверхности,  что  приводит  к  снижению
предела  выносливости  стали.  Этим  и  объясняется  меньшая   долговечность
цианированных деталей по сравнению с нитроцементованными.
      При  цианировании  необходимо  производить  наклеп   деталей   дробью,
создающий на поверхности (вследствие  превращения  остаточного  аустенита  в
мартенсит)  высокие  напряжения   сжатия.   Усталостные   испытания   зубьев
цианированных зубчатых колес на изгиб с циклической нагрузкой показали,  что
наклеп дробью повышает предел выносливости с 43 до 72 кГ/мм2.
      Испытания на стенде показали, что после наклепа дробью  стойкость  (до
разрушения) цианированных зубчатых колес увеличилась с 9 до 140 ч.
      Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая  на  поверхности  тонкий
нетравящийся  карбонитридный  слой  (что  бывает  не  всегда),   корродирует
медленнее нецианированной стали.  Например,  в  3%-ном  растворе  поваренной
соли  стойкость  такой  стали  против  коррозии   в   2   раза   выше,   чем
нецианированной.   Коррозионная   стойкость   нержавеющих    сталей    после
нитроцементации и цианирования снижается.



                         Использованная литература:

                               А. Н. Минкевич.
              "Химико-термическая обработка металлов и сплавов"
                        Издательство "Машиностроение"
                               Москва, 1965 г.


смотреть на рефераты похожие на "Химико-термическая обработка"