Сущность и назначение цементации, азотирования и нитроцементации
Сущность и назначение химико-термической обработки
Сущность термомеханической обработки
ТМО заключается в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с ее закалкой. Формирование структуры закаленной стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности дислокаций, обусловленных наклепом, что позволяет получить более высокие механические свойства, чем при закалке и отпуске.
ВТМО: сталь деформируют при температуре выше точки А3, при которой сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации составляет 20-30%. После деформации следует немедленная закалка во избежание развития процесса рекристаллизации.
НТМО: сталь деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости (400-600°С); температура деформации должна быть выше точки Мн, но ниже температуры рекристаллизации. Закалку осуществляют сразу после деформации.
После закалки в обоих случаях следует низкотемпературный отпуск (100-300°С). Такая комбинированная ТМО позволяет получить очень высокую прочность при высокой пластичности
ХТО заключается в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующими химическими элементами (С, N, В, AI, Сг, Si, Ti и др.) путем их диффузии в атомарном состоянии из внешней (насыщающей) среды при высокой температуре. ХТО включает следующие основные взаимосвязанные стадии:
1) диссоциацию — распад молекул насыщающей среды с образованием активных атомов диффундирующих элементов;
2) адсорбцию — контактирование образовавшихся активных атомов с поверхностью насыщения и образование химических связей с атомами металла;
Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, а значит, структуре и свойствам. Материал детали под диффузионным слоем, незатронутый воздействием насыщающей активной среды, называется сердцевиной.
Кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины составляет общую толщину диффузионного слоя
Цементацией(науглероживанием) называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде — карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930—950°С), когда устойчив аустенит растворяющий углерод в больших количествах. Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей с целью повышения твердости поверхности. Твердость на поверхности цементованного слоя находится в пределах HRC 58-62 и в сердцевине HRC 30-45. Толщина эффективного слоя (до HRC 50) составляет 0,4—1,8 мм. Основные виды цементации — твердая (активированный древесный уголь или кокс) и газовая (природный газ).
Азотированием называется ХТО, заключающаяся в диффузи-онном насыщении поверхностного слоя стали азотом.
Процесс осуществляется в среде аммиака при Т = 480-650°С, при этом выделяется атомарный азот (2NH3 → 2N+3H2), диффундирующий в поверхностный слой детали. Азотированию подвергаются детали из среднеуглеродистых легированных сталей, содержащих Cr, W, Mo,V, Al, при этом образуются нитриды, имеющие высокую твердость.Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до температур 450—500°С, твердость цементованного слоя сохраняется только до 200—225°С. Виды азотирования: газовое, жидкостное (в расплавах цианосодержащих солей), ионное (потоком ионов азота в разреженном пространстве в условиях тлеющего электрического разряда).
Основное назначение — повышение твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости материалов.
Применяют два процесса: нитроцементацию и цианирование. Нитроцементацию осуществляют в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Нитроцементация отличается от газовой цементации более низкой температурой процесса, меньшим деформированием и короблением изделий, обеспечивает получение упрочненных слоев с более высоким сопротивлением изнашиванию и коррозии. Цианирование — в расплавленных солях, содержащих группу «СN». Цианирование по сравнению с цементацией требует меньшего времени для получения слоя одинаковой толщины, характеризуется меньшими деформациями и короблением изделий сложной формы, обеспечивает более высокое сопротивление металлов износу и коррозии. Недостаток — токсичность и высокая стоимость цианистых солей. После насыщения проводят закалку и низкотемпературный отпуск. Твердость упрочненного слоя сост. 58-64 HRC.
Дата добавления: 2015-05-26 ; Просмотров: 2897 ; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Цианирование и нитроцементация
Цианирование– химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.
Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:
Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.
Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.
Продолжительности процесса 0,5…2 часа.
Высокотемпературное цианирование– проводится при температуре 800…950 o С, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.
По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.
Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600 o С, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом
Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.
Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.
Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.
Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.
Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950 o С, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.
На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.
Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570 o С, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.
Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.
Цианирование и нитроцементация
Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.
На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода в слое, снижение температуры — к увеличению содержания азота. Толщина цианированного слоя также зависит от температуры и продолжительности процесса.
Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий.
Цианирование при температурах 820—850°С позволяет осуществлять закалку непосредственно из ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск.
Цианирование при температурах 820—850°С позволяет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 мин. Для получения слоев большой толщины (0,5-2,0 мм) применяют глубокое цианирование при температурах 900-950° С, длительность 1,5-6,0 ч. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочность.
После цианирования деталь охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск. Такая обработка необходима в связи с тем, что при температурах цианирования (900—950° С) сильно вырастает зерно аустенита и необходим повторный нагрев для его измельчения. Структура цианированного слоя после закалки такая же, как после цементации.
Недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.
Нитроцементацию осуществляют при температурах 840—860°С в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1 —10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм.
После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160— 180° С.
Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540—560°С в расплавленных цианистых слоях. Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,02—0,04 мм. Длительность процесса 1 —1,5 ч.
Азотирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480—650° С. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.
Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали. При азотировании легированных сталей азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость.
Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем (0,001—0,015 мм) олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки. Продолжительность процесса зависит от толщины слоя. Обычно процесс азотирования ведут при температурах 500—520° С. В этом случае получают слои толщиной до 0,5 мм за 24—90 ч.
Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый цикл. Вначале азотирование ведут при 500—520°С, а затем температуру повышают до 580—600° С. Это ускоряет процесс в 1,5—2 раза при сохранении высокой твердости азотированного слоя.
В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров деталей.
Для повышения коррозионной устойчивости изделий азотирование проводят при температуре 600—700°С в течение 15 мин. для мелких деталей и 6—10 ч. для крупных деталей.
Процесс жидкостного азотирования осуществляют при температуре 570°С в расплаве циансодержащих солей. В ходе процесса расплав непрерывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превращения цианида в цианат, являющийся поставщиком атомов углерода и азота.
Преимуществом жидкостного азотирования является резкое сокращение времени получения насыщенного слоя по сравнению с газовым азотированием (слой толщиной 0,10-0,20 мм получают за 1,5-3 ч). Кроме того, отсутствие водорода в среде способствует повышению вязкости слоя. Недостатком процесса является применение ядовитых солей.
Широкое применение получает ионное азотирование. По сравнению с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность процесса, более высокое качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.
Нитроцементация стали — цель, виды, технология
Нитроцементация представляет собой по сравнению с обычной цементацией более эффективный процесс обработки стали, придающий ей особые механические свойства.
Особенности нитроцементации и цианирования
Хотя нитроцементация и цианирование преследуют одну цель (насыщение поверхностного слоя стали азотом и углеродом), они имеют одно существенное отличие. Заключается оно в том, что нитроцементации изделия подвергаются в газовой среде, а при цианировании такой средой является расплав цианида натрия или других солей.
Составы ванн и режимы цианирования изделий
Свою эффективность рассматриваемые технологические операции демонстрируют при обработке следующих материалов:
сталей, относящихся к нержавеющей категории;
легированных стальных сплавов, а также сталей, не содержащих легирующих добавок и характеризующихся средним содержанием углерода в своем составе;
конструкционных сталей с низким содержанием углерода.
Цианирование стали, относящейся к одной из вышеперечисленных категорий, как и процесс ее нитроцементации, происходит при определенном температурном режиме (820–950°), который должен строго соблюдаться. В результате квалифицированного применения таких методов обработки удается решить следующие задачи:
повысить износостойкость поверхности изделия;
увеличить его поверхностную твердость;
повысить предел выносливости металла.
Нитроцементация в различных средах
Существует еще одна разновидность цементации, которая называется мягким азотированием. Такая обработка, которая выполняется при температуре около 590°, нужна среднеуглеродистым сталям для увеличения уровня их износостойкости и предела выносливости. Цианированию также подвергают изделия из быстрорежущих сталей, что позволяет повысить твердость и устойчивость к износу их поверхностного слоя, а также сделать его более устойчивым к воздействию повышенных температур.
В металлургической отрасли также используется такая технологическая операция, как цианирование золотосодержащих руд, которая в корне отличается от всех вышеперечисленных методов обработки сталей. Целью цианирования руды, золото в составе которой может содержаться даже в очень незначительных количествах, является выделение из нее концентрата, характеризующегося высоким содержанием драгоценного металла. Такой концентрат после его дальнейшей обработки может быть использован для производства золотых изделий.
Добыча золота методом цианирования
Цель цианирования стали и суть технологии
Первоочередная цель цианирования лежит в укреплении поверхностного слоя стали различных деталей, придании ему более высокого предела выносливости, так как этот слой подвержен наибольшим нагрузкам во время эксплуатации механизмов, конструкций. Насыщение поверхностного слоя металла углеродом и азотом принято применять из-за их быстрого проникновения, когда они взаимодействуют одновременно. Методом цианирования можно обрабатывать следующие виды металла:
любые нержавеющие стали;
сплавы стальные легированные либо те, где нет присутствия легирующих компонентов, стали с концентрацией углерода средних показателей;
стали конструкционного назначения, где присутствует мало углерода.
Химико-термический способ цианирования придерживается следующей технологии:
В рабочую ванну с расплавленной солью цианистой состава 15% Na₂CO₃, 60% NaCl и 25% NaCN помещают деталь.
Далее рабочую среду нагревают до температуры от 930 до 530 градусов по Цельсию (в зависимости от выбранного режима обработки).
Выделяющиеся из соли оксид углерода и азот насыщают металл несколько часов.
Все нюансы прохождения обработки металла в итоге зависят от выбранного температурного режима.
Сущностью процесса, по которому углерод с азотом могут проникнуть внутрь слоя стали, является диффузия. В течение перечисленных выше этапов технологии процесс проходит две основные стадии, разделенные временными периодами:
Начальный период нитроцементации длительностью от одного до трех часов, характеризующийся внедрением в кристаллическую решетку металла атомов азота, углерода.
Конечный период, когда предварительно проникшие и насытившие сталь атомы азота начинают десорбироваться (покидать поверхность, вновь приобретая состояние газа), углерод же при этом продолжает насыщать металл до тех пор, пока не закончится воздействие температуры и рабочей среды.
Виды цианирования
Есть несколько способов цианирования, которые выполняют по своей технологии для определенных типов стали с достижением разных результатов обработки. Так можно классифицировать процесс:
по используемому термическому режиму;
по физическому состоянию среды, где происходит цианирование (твердая, жидкая или газообразная нитроцементация).
Высокотемпературное цианирование выполняют при рабочей температуре порядка 800–900 градусов по Цельсию. Здесь сталь насыщается преимущественно углеродом с численным показателем процентного содержания в слое от 0.6 до 1.2% (цементация жидкостная). Азот присутствует в таком процентном соотношении – 0.2–0.6%. Образованный укрепленный слой может быть толщиной от 2 до 0.15 миллиметров.
Высокотемпературный метод отличается тем, что обработанные изделия требуют проведения дополнительных операций воздействия, таких как закаливание металла, низкий отпуск. После проведения полного комплекса мероприятий полученный слой имеет структуру, состоящую из поверхностного слоя тонкого Fe₂(C, N) (карбонитриды), следующего за ним слоя мартенсита азотистого.
Низкотемпературное цианирование
Обработку металла низкотемпературную (тенифер-процесс) выполняют при рабочей температуре порядка 540–600 градусов по Цельсию. Здесь металл насыщается преимущественно азотом. Таким способом укрепляют высокохромистые, быстрорежущие стали, которые используются для изготовления инструментов. Низкотемпературное цементирование не предполагает более никаких операций – это заключительный этап обработки.
Метод жидкостного цементирования цианистыми солями считается одним из самых вредных для здоровья, так как соли натрия представляют собой сильное ядовитое вещество.
Низкотемпературная нитроцементация
В промышленности, для конструкционных и инструментальных сталей иногда применяют нитроцементацию при более низких температурах. Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 °С в течение полутора – трех часов в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe3(N, C), обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000–11000 HV. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендуется проводить в качестве аналога жидкому азотированию в расплавленных цианистых солях.
Описание
Преимущества
По сравнению с цементацией, нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура α ↔ γ-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените (табл. 1). С повышением температуры эффект ускорения уменьшается (табл. 1).
Таблица 1. Коэффициенты диффузии C и N при нитроцементации (Б. Прженосил)
Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930—950 °С) и нитроцементации (840—860 °С) на толщину 0,5—0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл при нитроцементации, по сравнению с цементацией, сокращается на 50—60 %.
Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.
Применение
Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочнённого слоя 0,2—1,0 мм. На ВАЗе 94,5 % деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5—3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0—5,5 мм — 0,4 ± 0,1.
Оборудование
Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование — шахтные, камерные или проходные печи.
3 Ключевые достоинства нитроцементации и цианирования
Относительно невысокая температура процесса повышает эксплуатационный потенциал металлургических печей и оборудования, обеспечивает снижение уровня деформации, а также позволяет выполнять закалку стали сразу же после процедуры насыщения ее поверхности. Причем при закалке отпадает необходимость в остужении до малых температур обрабатываемого изделия.
Газовое цианирование гарантирует высокую устойчивость аустенита, что ведет к повышению степени прокаливаемости нитроцементованных зон металла. Такая высокая степень дает возможность осуществлять в масле закалку низколегированных заготовок.
Присутствие остаточного аустенита в стали увеличивает прочность детали на изгиб, ударную вязкость, пластичность металла. Кроме того, аустенит увеличивает усталостную прочность изделий за счет того, что он эффективно противодействует образованию усталостных нарушений.
Газовое цианирование, обладая всеми описанными достоинствами, стали активно применять для упрочнения валов и зубчатых колес, относимых к группе высоконагруженных элементов машин и механизмов. Они должны обладать высокой прочностью сердцевины (до 200 кГ/мм2) и при этом характеризоваться достаточной вязкостью. Цианирование обеспечивает именно такие результаты.
Отдельно добавим, что существует особое сорбционное цианирование – процесс, используемый для растворения в цианистых соединениях золота. Данная процедура производится в присутствии кислорода. Она позволяет добывать благородный металл из золотосодержащих руд с минимальными затруднениями.
Напоследок скажем, что одновременная загрузка азота и углерода (газовое цианирование или нитроцементация) имеет несколько недостатков. К ним обычно причисляют следующие явления:
ограничение глубины слоя показателем от 0,7 до 0,8 миллиметров;
потребность в постоянном корректировании азотирующей и науглероживающей возможности газовой атмосферы.
Нитроцементация стали
Изделия из стали, которые применяются в узлах трения, например, в шестернях редукторов, требуют повышенной прочности для увеличения срока службы и надежности работы узлов. Высокопрочная легированная сталь имеет высокую стоимость и трудно обрабатывается. Вместе с тем, для большинства узлов не требуется высокая прочность всего объема детали, а только поверхностного слоя, непосредственно воспринимающего нагрузку. Для таких целей разработаны методы упрочнения поверхностного слоя, одним из них является нитроцементация.
Среди химико-физических методов можно выделить следующие:
цементация;
азотирование;
цианирование;
нитроцементация.
Два последних пункта подразумевают насыщение атомами азота и углерода тонкого внешнего слоя металла, но различаются технологией применения. Нитроцементация стали производится в газовой среде, а цианирование ведется в жидком расплаве солей. Рассмотрим метод нитроцементации подробнее.
Технология нитроцементации
Сущность и назначение нитроцеменетации стали заключается в особой методике процесса обработки тонкого внешнего слоя металла, который производится следующим образом. Заготовку для нитроцементации металла помещают в среду из смеси газов, в которую входит аммиак и углеродосодержащий газ. Далее металл нагревают и выдерживают в газовой смеси некоторое время. При этом происходит диффузия атомов углерода и азота в металл. Изменяются его физико-механические свойства. Попутно образуются твердые растворы соединений углерода, азота и железа.
Влияние температуры и длительности на глубину нитроцементации
Присутствие азота в атмосфере приводит к следующим особенностям нитроцеменетации, в отличие от цементации:
Дополнительное насыщение поверхности азотом;
Снижение температуры нагрева для возможности осуществления процесса;
Ускорение процесса диффузии углерода.
Варьируя параметры процесса, то есть состав газовой смеси, температуру, время обработки, можно изменять глубину воздействия. Исследования показали, что с повышением температуры увеличивается скорость диффузии углерода и азота в глубину металла. Глубина проникновения атомов газа в металл регулируется временем выдержки нагретого изделия в рабочей среде.
По сути, нитроцементация и цианирование – это виды нитроцементации, которые различаются технологией. Детали, поверхность которых упрочнена посредством цианирования или нитроцементации, будут иметь одинаковые технические характеристики. При цианировании обрабатываемые детали помещают в расплав цианистых солей натрия или кальция. Температура обработки остается примерно такая же, как и при газовой обработке. При цианировании можно легко получить легированный слой металла до 2-х мм, но при этом следует помнить, что при увеличении толщины слоя в структуре начинают появляться темные области, хорошо заметные под микроскопом, которые указывают на избыток азота на границах кристаллов. Данные области снижают механическую прочность, увеличивая хрупкость металла.
Применение нитроцементации или цианирования возможно только для легированных сталей, в которых углерод содержится в количестве не более 0.25%.
Для осуществления процесса диффузии азота и углерода из среды газа необходим нагрев металла до температуры 700 – 950 °С. Наиболее часто работа ведется при температуре нитроцементации 850 – 870 °С. Данные значения температуры лишь немного превышают температуру закалки и поэтому позволяют упростить процесс закалки деталей, снижают вероятность деформации и сокращают общее время производственного цикла. Уменьшить развитие деформации может также ступенчатая закалка в горячем масле. Все сказанное говорит о том, что данный вид обработки наиболее применим к деталям сложной геометрической формы, у которых повышенные требования к форме поверхности и совершенно недопустимо образование закалочных трещин.
Основная область применения нитроцементации стали – машиностроение и автомобильная промышленность. Более 90% автомобильных деталей – шестерен редукторов, валов, упрочняются при помощи нитроцианирования. Данный процесс упрочнения стали является основным в технологии производства зубчатых колес любого назначения, а также некоторых категорий инструмента из быстрорежущей стали.
Низкотемпературная нитроцементация
В некоторых областях применения нет необходимости в большой толщине обработанного упрочненного внешнего слоя. Изменив состав исходной газовой смеси, выполняют нитроцементацию металла при более щадящих температурах, чем при стандартном процессе. Используя смесь аммиака с метаном или эндогазом в равных пропорциях (по 50%) при сравнительно небольшой температуре 570°С в течении времени от получаса до 3-х часов получают тонкий поверхностный слой карбонитрида Fe3(N,C). Такой слой имеет очень высокую твердость и износоустойчивость.
Нитроцементация с низкой температурой выполняется в качестве окончательной операции уже после термической обработки — закалки и отпуска. Высокая твердость поверхности определяет область применения технологии для увеличения срока службы быстрорежущего инструмента.
Структурные изменения в металле
При внедрении атомов азота и углерода в поверхностном слое металла происходят некоторые изменения. При нитроцианировании меняется соотношение остаточного количества аустенитов и мелкокристаллических мартенситов в поверхностном слое, добавляется небольшое количество твердого раствора карбонитридов, что влияет на механические свойства – твердость и износостойкость.
Такая особенность структуры нитроцементированного слоя, как повышение количества аустенитов, улучшает прирабатываемость стали, что важно при работе зубчатых передач, поскольку снижается шумность работы механизмов.
В то же время несколько повышается хрупкость и снижается усталостная и контактная прочность. Особенно это качество проявляется в легированной стали с содержанием никеля более 1.2 %. Таким образом, не все марки стали допустимо обрабатывать по данной методике. Уменьшение размеров зерен структуры достигается путем дополнительной закалки и отпуска непосредственно после процесса нитроцементации. Обработанная таким образом сталь имеет меньший размер зерен, чем цементированная, что повышает ее прочность на изгиб при одновременном уменьшении толщины обработанного слоя.
По окончании процесса обработки содержание азота в слое доходит до 0.4%, а углерода до 0.9%.
Нитроцементация существенно изменяет характеристики тонкого наружного слоя металла, его твердость и износостойкость. После дополнительной термической обработки – закалки, твердость поверхностного слоя по шкале Роквелла составляет 58-64 HRC или 500 – 1000 HV по методу Виккерса. Применяя низкотемпературную цементацию, можно получить тонкий поверхностный слой с твердостью 5000 – 11000 HV.
Достоинства и недостатки нитроцементации
Среди достоинств нитроцементации можно отметить высокую технологичность процесса, простоту и удобство регулировки параметров. Подбирая температурный режим, состав газовой смеси и, в особенности, время обработки, можно легко регулировать толщину насыщаемого слоя в зависимости от предъявляемых требований. Низкая температура обработки снижает риск деформации изделия и упрощает дальнейшую закалку, поскольку необходимо лишь минимальное время для снижения температуры заготовки. Таким образом уменьшается время технологического цикла производства продукции. Обработанные изделия имеют высокое качество поверхности и отличные физико-механические свойства. У низколегированных сталей после обработки наблюдается повышение коррозионной стойкости.
Микроструктура нитроцементованных слоев
Среди множества полезных свойств нельзя забывать, что подобная методика обработки металла имеет и недостатки. Самый существенный недостаток такой разновидности нитроцементации, как цианирование – высокая токсичность компонентов производства. Для насыщения азотом и углеродом используются цианистые соли натрия и кальция, которые являются крайне токсичными веществами.
Менее существенный недостаток, который во многих областях применения является несущественным – несколько повышенная хрупкость металла после обработки. Но поскольку изменения затрагивают только сравнительно тонкий слой, данная характеристика является несущественной и нивелируется повышенной сопротивляемостью материала к износу.
При производстве деталей, нуждающихся в цианировании и последующей закалке необходимо строго соблюдать последовательность и время выполнения частей технологического процесса. Так закалка должна выполняться сразу же после окончания процесса насыщения, поскольку повторный нагрев заготовки приведет к оттоку молекул азота от обработанной поверхности. Уменьшение концентрации азота может составлять до 60%.
Как уже говорилось, низкая температура обработки позволяет объединить в едином процессе несколько видов обработки. Детали после окончания процесса насыщения требуют небольшого времени на подстуживание для дальнейшей закалки в масле. Таким образом, закалку в масле можно производить непосредственно в нитроцементационной печи.
Все виды нитроцементации засчет ускорения насыщения стали углеродом по сравнению с цементацией дают преимущество во времени обработки до 50-60%. Таким образом, основные преимущества нитроцементации заключаются в сокращении времени производства с минимальным риском отрицательного воздействия на геометрию деталей. Одновременно повышаются эксплуатационные качества благодаря присутствию азота.
Состав газовой смеси достаточно просто регулировать как до, так и в процессе обработки. Значительно сокращается время нагрева составляющих процесса, так как газ, подаваемый в камеру, может уже иметь необходимую температуру.
Поскольку процессы нитроцементации и цементации технологически очень похожи, для них может использоваться одно и тоже оборудование, что существенно облегчает переход на иной ассортимент продукции или изменение технологии производства.
Сущность цианирования и нитроцементации металлов
Цианирование стали и нитроцементация – процессы получения укрепленного верхнего слоя стали. Подробно о назначении и сущности процесса. Технология нитроцементации и ее преимущества.
Цианирование стали – один из способов улучшения физико-химических свойств металла. Применение метода необходимо, когда нужно повысить прочность, твердость, сопротивляемость коррозии, износоустойчивость поверхностного слоя стали, сделать ее более стойкой к естественному старению.
Нитроцементация укрепляет сталь путем воздействия на нее углерода и азота, точнее, введения этих молекул в кристаллическую решетку поверхностного слоя. Весь этот процесс происходит под воздействием высоких температур в среде цианистых солей натрия, окисление которого приводит к выделению углерода и азота.
Насколько глубоко проникнут цементирующие вещества в структуру металла и какая степень концентрации образуется, зависит от выбранной температуры проведения операции и временного интервала воздействия. Нитроцементация и цианирование стали – операции, преследующие одну цель, но проходящие в разных средах.
Цель цианирования стали и суть технологии
Первоочередная цель цианирования лежит в укреплении поверхностного слоя стали различных деталей, придании ему более высокого предела выносливости, так как этот слой подвержен наибольшим нагрузкам во время эксплуатации механизмов, конструкций. Насыщение поверхностного слоя металла углеродом и азотом принято применять из-за их быстрого проникновения, когда они взаимодействуют одновременно. Методом цианирования можно обрабатывать следующие виды металла:
любые нержавеющие стали;
сплавы стальные легированные либо те, где нет присутствия легирующих компонентов, стали с концентрацией углерода средних показателей;
стали конструкционного назначения, где присутствует мало углерода.
Химико-термический способ цианирования придерживается следующей технологии:
В рабочую ванну с расплавленной солью цианистой состава 15% Na₂CO₃, 60% NaCl и 25% NaCN помещают деталь.
Далее рабочую среду нагревают до температуры от 930 до 530 градусов по Цельсию (в зависимости от выбранного режима обработки).
Выделяющиеся из соли оксид углерода и азот насыщают металл несколько часов.
Все нюансы прохождения обработки металла в итоге зависят от выбранного температурного режима.
Сущностью процесса, по которому углерод с азотом могут проникнуть внутрь слоя стали, является диффузия. В течение перечисленных выше этапов технологии процесс проходит две основные стадии, разделенные временными периодами:
Начальный период нитроцементации длительностью от одного до трех часов, характеризующийся внедрением в кристаллическую решетку металла атомов азота, углерода.
Конечный период, когда предварительно проникшие и насытившие сталь атомы азота начинают десорбироваться (покидать поверхность, вновь приобретая состояние газа), углерод же при этом продолжает насыщать металл до тех пор, пока не закончится воздействие температуры и рабочей среды.
Виды цианирования
по используемому термическому режиму;
по физическому состоянию среды, где происходит цианирование (твердая, жидкая или газообразная нитроцементация).
Высокотемпературное цианирование
Высокотемпературное цианирование выполняют при рабочей температуре порядка 800–900 градусов по Цельсию. Здесь сталь насыщается преимущественно углеродом с численным показателем процентного содержания в слое от 0.6 до 1.2% (цементация жидкостная). Азот присутствует в таком процентном соотношении – 0.2–0.6%. Образованный укрепленный слой может быть толщиной от 2 до 0.15 миллиметров.
Высокотемпературный метод отличается тем, что обработанные изделия требуют проведения дополнительных операций воздействия, таких как закаливание металла, низкий отпуск. После проведения полного комплекса мероприятий полученный слой имеет структуру, состоящую из поверхностного слоя тонкого Fe₂(C, N) (карбонитриды), следующего за ним слоя мартенсита азотистого.
Низкотемпературное цианирование
Метод жидкостного цементирования цианистыми солями считается одним из самых вредных для здоровья, так как соли натрия представляют собой сильное ядовитое вещество.
Свойства и применение цианированных сталей
Стали, которые прошли обработку методом цианирования, резко отличаются от обычных увеличением параметра усталостной прочности, предела выносливости. Область применения таких сталей разнообразна:
конструкции строительные сварного типа;
переплеты фонарные, а также оконные в зданиях промышленного назначения;
различные мелкие метизы: шайбы, собачки, заклепки, звездочки, муфты – все то, что эксплуатируется при температуре до –40 градусов по Цельсию;
шестерни, валы в механизмах, где присутствует трение.
Технология, цель и виды нитроцементации
Бывает нитроцементация стали высокотемпературная и низкотемпературная. Первый метод нитроцементации применяют в условиях температуры от 830 до 950 градусов по Цельсию. В этом случае используют аммиак в повышенных дозах. После операции над изделием проводят мероприятия по закалке с отпуском низким. Твердость, которая достигается в результате, соответствует 62–56 HRC. Стали, в основном подвергаемые нитроцементации, – это углеродистые (из них изготавливают детали машиностроения) и низколегированные металлы.
Метод нитроцементации низкотемпературный подразумевает применение термической среды в пределах 530–570 градусов продолжительностью не более 3 и не менее 1.5 часов, предварительно выполняют закалку и отпуск деталей. Полученный твердый слой имеет толщину от 0.004 до 0.02 миллиметра с крепостью 1200–900 HV.
Нитроцементация является безопасным процессом с низкой себестоимостью операции, поэтому ее часто используют в автомобилестроении.
Преимущества нитроцементации перед цементацией
быстрее происходит поверхностная диффузия;
нет необходимости в подготовке;
металл при нитроцементации не подвергается сильному перегреву, и, как следствие, не происходит изменение кристаллической решетки;
заготовки менее подвержены деформации;
после прохождения обработки последующее закаливание и отпуск проходят более качественно;
нитроцементация – самый дешевый способ укрепления стали, поэтому ее повсеместно используют в машиностроении.
Всем, кто имеет представление, практические навыки или профессионально занимается нитроцементацией стальных изделий, просьба поддержать в комментариях тему, так как больше достоверной информации необходимо для понимания процесса.
Улучшаем свойства стали нитроцементацией
Металлические изделия обрабатывают различными способами для улучшения их свойств. Чтобы защитить сталь от коррозии, применяют цинкование или хромирование. Для увеличения твердости стали, а также повышения предела выносливости, износостойкости существует нитроцементация.
Что такое нитроцементация?
Одновременное насыщение стальных поверхностей углеродом с азотом называют цианированием или нитроцементацией. При разложении цианистых солей образуются свободные атомы азота, углерода, которые проникают вглубь металла. Насыщение стали углеродом благодаря азоту происходит при более низких температурах. Фактически для стали он снижает критические точки. Вследствие такого понижения температуры насыщения уменьшается деформация обрабатываемых частей.
Основными факторами, определяющими концентрацию и глубину цианированного слоя, являются время выдержки и температура нагрева. Чем выше температура, тем меньше будет насыщение азотом, а больше углеродом. Увеличивая время выдержки детали в печи, получают более глубокий обработанный слой.
Процесс насыщения может проходить в газовой, твердой или жидкой среде.
Виды нитроцементации
Жидкостная
Жидкостная нитроцементация или цианирование проходит в цианистых ваннах. Широкое применение для проведения цианирования получили смеси натриевых солей: цианистый натрий с долей до 25%, углекислый натрий — до 50% и хлористый натрий — до 50%.
Цианирование проходит при высоких температурах. При этом в ванне проходят реакции с образованием атомарных азота и углерода, которые проникают в поверхность стали. Полученный слой обладает значительной твердостью, а также высоким сопротивлением к износу.
Даже тонкого слоя в 0,5 мм достаточно для увеличения износостойкости небольших деталей, которые работают при незначительных удельных нагрузках.
В газовой среде
Нитроцементация в газовой среде проходит в смеси аммиака и науглероживающих газов. Газовая среда при нитроцементации состоит из метана и окиси углерода. Процесс может проходить при низких температурах, тогда доля аммиака должна составлять 20-30%. Если нитроцементация происходит при высоких температурах, то аммиака должно быть 3-7%. Цианирование происходит в печах, куда раздельно подаются аммиак и газовая смесь. В газовой среде можно получать довольно толстые упрочненные слои глубиной до 2 мм.
Низкотемпературная
Низкотемпературная нитроцементация проходит в температурном режиме 550-600 °С в течение двух-трех часов. При этом значительного накопления углерода в стали не происходит, основные свойства металл получает от поглощения азота. В результате обработки на поверхности стали возникает карбонитридный слой повышенной износостойкости. Твердость этого слоя на легированных сталях может достигать 11000 HV. Нитроцементация при низких температурах может рассматриваться как аналог азотированию в смеси цианистых солей.
После нитроцементации проводят закалку деталей после повторного нагревания либо непосредственно из печи. Подстуживание происходит до 800-825 °С. Не очень часто, но применяют и ступенчатую закалку. После закалки необходимо провести отпуск при температуре 160-180 °С.
Покрытие пастой
Нитроцементация стали проводится и путем нанесения пасты. В ее состав входят:
жидкое стекло 53%;
карбюризатор 21%;
желтая кровяная соль 17%;
карборунд 4%;
углекислый натр 4%;
цемент 1%.
Сметанообразную пасту наносят на подогретую до 300 °С поверхность. Входящие в состав цемент и карборунд способствуют затвердеванию пасты на воздухе, не дают стекать солям при нагреве обрабатываемой детали. На слой пасты наносят смесь из кварца и жидкого стекла в пропорции 3 к 2. Затем деталь нужно погрузить в водный 30%-ный раствор аммиака. При дальнейшем нагреве токами высокой частоты (ТВЧ) нанесенная смесь становится керамической оболочкой.
Чтобы провести нитроцементацию, деталь в оболочке нужно нагреть до 1200 °С. Через две минуты глубина обработанного слоя достигнет 2 мм. Этот способ малоэффективен, но все же его используют при производстве дисков, зубчатых колес, кулачков, муфт и других деталей из конструкционной стали.
Как подготовить деталь
Поверхности детали перед нитроцементацией необходимо очистить и обезжирить. Для этого их достаточно промыть 15 минут в растворе едкого натра, нагретого до 90 °С, либо можно протереть бензином. Затем детали вытирают насухо и укладывают в корзины на расстоянии, достаточном для свободного проникновения газа.
Что можно насыщать углеродом?
Нитроцементацию целесообразно проводить с нержавеющей сталью, сплавами, содержащими легирующие добавки, конструкционными сталями с пониженным содержанием углерода.
После завершения процесса металлическое изделие обладает необходимыми свойствами: прочностью на изгиб, пониженной чувствительностью к напряжениям, пластичностью. Кроме того, нитроцементованные поверхности получают коррозийную стойкость и высокую твердость.
Для деталей, которые прошли нитроцементацию, обязателен контроль: обычный осмотр с выявлением видимых следов окисления, закоксовывания, бурого налета, также физических дефектов (сколов, забоин и пр.); выборочный контроль полученной твердости при помощи приборов Супер-Роквелла или Виккерса; выборочный контроль хрупкости обработанного слоя при помощи прибора Роквелла. Обычно проверяют образцы, изготовленные из того же материала, что и обрабатываемые детали. Эти образцы должны вместе с деталями проходить термическую обработку и нитроцементацию.
Нужно провести и контроль состава отходящих из печи газов (провести химический анализ); проверить расход газа реометрами; проверить расход карбюризаторов и триэтаноламина.
Основные дефекты при нитроцементации
В процессе нитроцементации могут возникать дефекты обрабатываемых деталей.
Отслаивание
Это явление возникает при насыщении поверхности детали углеродом и связано со слишком низкими температурами или быстрым нагревом. В первом случае содержание углерода по направлению к центру выравнивается слишком медленно. При быстром нагреве содержание углерода резко снижается по мере удаления от поверхности детали. Такие резкие изменения провоцируют отделение цементованного слоя от изделия в виде отслаивания оболочки.
Грубозернистый излом
Грубозернистость обрабатываемого слоя может быть обусловлена несколькими факторами: перегревом, передержкой при закаливании, переизбытком углерода в цементованном слое из-за высокой или изменяющейся температуры при обработке. Эти дефекты можно устранить повторной закалкой. Грубозернистость сердцевины может возникнуть из-за слишком низкой температурой закалки. А если речь идет о низколегированных или углеродистых сталях, то этот дефект может объясняться слишком большими размерами деталей, что не позволяет достаточно прокалить сердцевину.
Мягкая поверхность
Этот дефект поверхности обработанных изделий обуславливается рядом нарушений процесса нитроцементации (возникновение пустот при набивке деталей, возникновение корки графита на поверхности детали). Такой изъян может вызывать и дефект закалки, связанный с низкой скоростью охлаждения или с образованием паровой рубашки. При азотировании мягкие пятна связаны с обработкой необезжиренных деталей.
Малая толщина насыщенной пленки
Такой дефект возникает при низкой температуре азотирования. Изъян крайне опасен, так как выявить обычными методами контроля его невозможно. Но устранить проблему можно повторной процедурой с соблюдением температурного режима.
Повышенная хрупкость
Связана с азотированием обезуглероженной поверхности. Последняя образуется на детали при термической или горячей обработке давлением. Этот слой необходимо механически удалить.
Твердость азотируемой поверхности немного ниже твердости слоя, лежащего непосредственно под поверхностью. При такой обработке высоконагруженных частей необходимо отшлифовать верхний слой, тем самым удаляя его.
Сферы применения
Нитроцементацию нужно проводить для деталей, которые при работе механизма испытывают предельные нагрузки. К ним относятся шестеренки, зубчатки, валы и прочие составляющие механизмов.
Низкотемпературную нитроцементацию проводят с поверхностями порошкового инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей. Так обрабатывают трущиеся детали, которые не испытывают значительных нагрузок (зубчатые колеса, втулки, штоки клапанов двигателей автомобилей).
Высокотемпературная нитроцементация чаще применяется при насыщении порошковых деталей, изготовленных из легированных и конструкционных углеродистых сталей.
Нередко только часть детали подвергают нитроцементации. Участки, которые не нужно обрабатывать, в этом случае защищают специальной пастой.
Преимущества нитроцементации
Нитроцементация предпочтительнее газовой цементации, так как:
обработка происходит при более низких температурах;
изделие меньше деформируется и коробится;
процесс проходит быстрее;
сопротивление коррозии и износу будет выше.
Недостатки нитроцементации
Главным недостатком при цианировании является высокая токсичность применяемых расплавов. Также существует необходимость постоянного контроля степени науглероживания и азотирования в рабочей среде. Улучшенными в процессе обработки характеристиками обладает очень тонкий поверхностный слой – максимум 2 мм.
Резюме
Нитроцементация улучшает качество металла. Её можно проводить различными методами: путем нанесения пасты, в цианистых ваннах и в газовой среде. Но какой бы способ ни был выбран, необходимо соблюдать технологию и температурный режим.
Химико-термическая обработка(ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.
В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,
Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 o С.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.
Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).
Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).
Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.
На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).
Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.
Азотирование– химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.
Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.
При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.
При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.
Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.
В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:
для повышения поверхностной твердости и износостойкости;
для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).
· Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.
· Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:
·
· Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.
· Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.
· Продолжительности процесса 0,5…2 часа.
· Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950 o С, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.
· По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.
· Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600 o С, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом
· Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.
· Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.
Диффузионная металлизвция– химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.
При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.
Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.
При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL2 образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.
Легированные стали. Классификация, маркировка. Причины высокой прочности сталей по сравнению с углеродистыми.
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы
Материаловед
Химико-термическая обработка стали . Назначение и технология видов химико-термической обработки: цементации, азотирования, нитроцементации и диффузионной металлизации
Химико-термическая обработка стали
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.
В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,
Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.
В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.
Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций , а также испарения.
Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.
Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.
Основными разновидностями химико-термической обработки являются:
– нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
–диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).
Назначение и технология видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ºС.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.
Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).
Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2 %).
Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.
На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).
Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.
Цементация в твердом карбюризаторе.
Почти готовые изделия с припуском под шлифование укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3,Na2CO3 в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ºС.
За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции 2СО → СО2 + Сат .
Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.
Недостатками данного способа являются:
– значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 ч);
– низкая производительность процесса;
– сложность автоматизации процесса.
Способ применяется в мелкосерийном производстве.
Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.
Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, являющиеся активными газами.
Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.
– возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);
– сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
– возможность полной механизации и автоматизации процесса.
Способ применяется в серийном и массовом производстве.
Структура цементованного слоя
Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.
Рис. 15.1. Структура цементованного слоя
На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.
Термическая обработка после цементации
В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.
Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.
Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 15.2.
Рис. 15.2. Режимы термической обработки цементованных изделий
Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850ºС (рис. 15.2 б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.
При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 15.2 а).
Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 15.2 в).
Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900ºС для исправления структуры сердцевины.
Вторая закалка проводится с температуры 760…780ºС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.
Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180ºС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.
Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.
Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.
При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.
При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции 2NH3→2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.
Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердости, и образующийся слой хрупок.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, основными из которых являются температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.
В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:
– для повышения поверхностной твердости и износостойкости;
– для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).
В первом случае процесс проводят при температуре 500…560ºС в течение 24…90 ч, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.
Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы, бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.
Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700ºС, продолжительность процесса – 10 ч. На поверхности образуется слой -фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe3N, имеющий гексагональную решетку).
Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском). После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.
Цианирование и нитроцементация
Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.
Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.
Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.
Продолжительности процесса – 0,5…2 ч.
Высокотемпературное цианирование проводится при температуре 800…950ºС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C,N), а затем азотистый мартенсит.
По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.
Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 540…600ºС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом
Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.
Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.
Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.
Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.
Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950ºС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.
На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.
Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570ºС, в течение 1,5…3 ч. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.
Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.
Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.
При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.
Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.
При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL2 образуются соединения хлора с металлом (AlCl3,CrCl2,SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.
Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).
Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.
Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.
Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200ºС) в течение длительного времени.
Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200ºС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.
Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB,FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.
