Термическая обработка и химико термическая обработка реферат

Обновлено: 05.07.2024

Химико-термическая обработка (ХТО) представляет собой процесс, сочетающий химическое и тепловое воздействие с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных изделий. Изменение химического состава достигается за счет диффузии в поверхностный слой различных компонентов, которая протекает более интенсивно при высоких температурах. Для этого стальные изделия нагревают в активной среде, которая содержит диффундирующий(насыщающий) компонент. Среда может быть твердой, газовой и жидкой.[2]

Содержание

1. Химико-термическая обработка металлов. Этапы обработки.
2. Классификация процессов химико-термической обработки металлов.
 Однокомпонентные:
 Цементация;
 Азотирование;
 Диффузионная металлизация:
• Алитирование;
• Хромирование;
• Силицирование;
• Борирование.
3. Список используемой литературы.

Вложенные файлы: 1 файл

Химико-термическая обработка металлов.doc

Химико-термическая обработка м еталлов. Этапы обработки.
Классификация процессов химико-термической обработки металлов.

Однокомпонентные:

Цементация;
Азотирование;
Диффузионная металлизация:
Алитирование;
Хромирование;
Силицирование;
Борирование.

3. Список используемой литературы.

Химико-термическая обработка металлов. Этапы обработки.

Любой вид ХТО состоит из следующих процессов:

Диссоциация – распад молекул и образование активных атомов насыщенного элемента, протекает во внешней среде.
Адсорбция – поглощение (растворение) поверхностью металла свободных атомов, происходит на границе газ-металл.
Диффузия – перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности вглубь металла.[1]

Диссоциация и адсорбция протекают значительно быстрее, чем диффузия. Скорость диффузии и толщина слоя возрастают с повышением температуры и длительности процесса ХТО.[2]. Насыщающий элемент должен взаимодействовать с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения, иначе процессы адсорбции и диффузии невозможны.[1]. Диффузия атомов насыщающих компонентов, образующих с железом твердые растворы внедрения (углерод, азот) протекает значительно быстрее, чем атомов компонентов, образующих твердые растворы замещения (хром, алюминий, кремний).[2]. Глубина проникновения диффундирующих атомов (толщина диффузионного слоя) зависит от состава стали, температуры и продолжительности насыщения.[1]. При диффузионном насыщении в поверхностном слое возникают, как правило, значительные остаточные напряжения сжатия, что повышает предел выносливости изделий.[2]

В результате ХТО достигается повышение твердости и износостойкости, предела выносливости и устойчивости против коррозии.[2]

Классификация процессов ХТО металлов.

Цементация – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Цель – получение твердой и износостойкой поверхности в сочетании с вязкой сердцевиной. Для этого поверхностный слой обогащают углеродом до концентрации 0,8 – 1,0 % и проводят закалку с низким отпуском. Цементацию проводят при температурах 920 – 950С, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1 – 0,3 % С), поэтому сердцевина стального изделия сохраняет вязкость. Толщина (глубина) цементированного слоя составляет 0,5 – 2,5 мм.[1]

Выделяют два способа цементации – твердую и газовую. Их название определяется первоначальным агрегатным состоянием используемых углеродосодержащих активных сред, которые называют карбюризаторами.[2]

Твердая цементация осуществляется в карбюризаторе, содержащем активный древесный уголь (70%), порошки BaCO3 (25%) и CаCO3 (5%). Детали укладывают рядами в стальные или чугунные ящики (контейнеры). Дно ящика и каждый ряд деталей засыпают слоем карбюризатора. Ящик закрывают крышкой, кромки которой для обеспечения герметичности замазывают огнеупорной глиной, и помещают в печь. Углерод древесного угля взаимодействует с кислородом воздуха и углекислым барием:

ВаСО3 + С = ВаО + 2СО

Образуя газ СО, который диссоциирует по реакции:

Образующийся атомарный углерод адсорбируется на поверхности стальных деталей и диффундирует вглубь, растворяясь в аустените.

Недостатки твердой цементации:

Невозможность регулирования степени насыщения поверхности деталей углеродом;
Повышенные энергетические затраты, связанные с прогревом ящиков с карбюризатором;
Более низкая скорость цементации по сравнению с газовой цементацией (в 2 раза)

Твердая цементация применяется в условиях единичного и мелкосерийного производства, отличается простотой выполнения, не требует специального оборудования.

Газовая цементация осуществляется при нагреве изделий в среде газов, содержащих углерод. Наиболее часто используется газовый карбюризатор, состоящий из смеси газов метана СН4 (природный газ) и СО, при диссоциации которых образуется атомарный углерод:

Далее процесс протекает так же, как при твердой цементации, но длительность процесса существенно сокращается. Скорость газовой цементации соответствует скорости насыщения углеродом. Газовая цементация позволяет обеспечить заданную концентрацию углерода в слое, механизацию и автоматизацию процесса.

Газовая цементация применяется в серийном, крупносерийном и массовом производствах.

Цементации может подвергаться не вся поверхность изделия. В этом случае участки, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднением, либо специальными обмазками.

Сама по себе цементация не обеспечивает выполнения главной задачи – получения высокой твердости и износостойкости на поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. Она создает только выгодное распределение углерода по сечению детали. Необходимое упрочнение поверхностного слоя достигается только последующей термической обработкой, которая всегда проводится после цементации. Детали подвергают закалке для получения высокой твердости в поверхностных слоях и низкому отпуску, для ее сохранения и уменьшения закалочных напряжений.[2]

Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом.[2]. Цель – придание слою высокой твердости, износостойкости и устойчивости против коррозии.[1]

Азотирование выполняют при температуре 500 – 800С в муфельных герметически закрывающихся печах. В качестве азотосодержащей среды используется газ аммиак (NH3). При нагреве он диссоциирует на поверхности стальных изделий с образованием ионов азота (NH3 → 3H + N). Они активно диффундируют вглубь изделия, растворяясь в феррите, и образуют нитриды железа, которые обладают высокой твердостью.[2]. Но они не обеспечивают достаточной твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, таких как хром, молибден, алюминий, титан. Поэтому азотированию подвергают готовые легированные стали, содержащие указанные элементы.[1]

Азотированию подвергают готовые изделия, уже прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). Они имеют высокую прочность и вязкость, которые сохраняются в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Глубина азотированного слоя составляет 0,3 – 0,6 мм. Высокая твердость поверхностного слоя достигается сразу после азотирования и не требует последующей термической обработки.[1]. Однако, при изготовлении деталей, упрочняемых азотированием, очень часто производится термическая обработка, но не для повышения твердости поверхностного слоя (это задача азотирования), а для упрочнения сердцевины.[2]

Преимущества азотирования по сравнению с цементацией:

Более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя;
Сохранение высоких свойств поверхностного слоя при нагреве до 400 – 600С;
Высокие коррозионные свойства;
После азотирования не требуется закалка.

Недостатки азотирования по сравнению с цементацией:

Более высокая длительность процесса;
Повышенные требования к экологии из-за использования аммиака;
Применение дорогостоящих легированных сталей.

Поэтому азотирование применяют для более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.[1]

Для сокращения продолжительности процесса (в 2 – 3 раза), повышения качества азотированного слоя и уменьшения его хрупкости широко применяется ионное азотирование. Оно проводится в стальном контейнере, который служит анодом. Между ним и деталями, которые помещены в контейнер (катоды),возбуждается тлеющий разряд в среде газов аммиака или азота. Происходит бомбардировка поверхности каждой детали (катода) образующимися положительными ионами азота. При этом происходит очистка поверхности, далее поверхность нагревается за счет ионной бомбандировки и ионы азота поглощаются поверхностью деталей и диффундируют вглубь.[2]

Диффузионная металлизация – это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами (алюминием, хромом, кремнием, бором). После диффузионной металлизации детали приобретают ряд ценных свойств, например, жаростойкость, окалийностойкость и др.

Диффузионная металлизация может проводиться:

В твердой фазе. Металлизатором является ферросплав (феррохром, ферросилиций и т.д.) с добавлением хлористого аммония (NH4Cl);
В расплавленном металле с низкой температурой плавления (цинк, алюминий), которую проводят погружением детали в расплав;
В газовой среде, содержащей хлориды различных металлов.

При твердой и газовой металлизации насыщение происходит с помощью летучих соединений хлора с металлом AlCl3, SiCl4 и др., которые при 1000 – 1100С вступают в обменную реакцию с железом с образованием активного диффундирующего атома металла.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием. Проводится в порошкообразных смесях или расплавленном алюминии. Толщина алитированного слоя составляет 0,2 – 1,0 мм; концентрация алюминия в нем до 30%. Алитирование применяют для повышения коррозионной стойкости и жаростойкости деталей из углеродистых сталей, работающих при высокой температуре.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности хромом. Толщина слоя составляет 0,2 мм. Хромирование используют для изделий из сталей любых марок. При хромировании обеспечивается высокая стойкость против газовой коррозии до 800С, окалийностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах (морская вода, кислоты).

Силицирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности кремнием. Толщина слоя составляет 0,3 – 1,0 мм. Силицирование обеспечивает наряду с повышенной износостойкостью высокую коррозионную стойкость стальных изделий в кислотах и морской воде. Применяется для деталей, используемых в химической и нефтяной промышленности.

Борирование – это процесс диффузионного насыщения поверхности бором. Толщина борированного слоя достигает 0,4 мм. Борирование придает поверхностному слою исключительно высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах.[1]

В 1906 А. Вильм (Германия) на изобретённом им дуралюмине открыл старение после закалки — важнейший способ упрочения сплавов на разной основе (алюминиевых, медных, никелевых, железных и др.). В 30-е гг. 20 в. появилась термомеханическая обработка стареющих медных сплавов, а в 50- — термомеханическая обработка сталей, позволившая значительно повысить прочность изделий. К комбинированным видам термической обработки относится термомагнитная обработка, позволяющая в результате охлаждения изделий в магнитном поле улучшать их некоторые магнитные свойства.

2.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

Итогом многочисленных исследований изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория термической обработки металлов.

Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.

Классификация видов термической обработки основывается на том, какого типа структурные изменения в металле происходят при тепловом воздействии.

Термическая обработка металлов подразделяется на:

-собственно термическую, заключающуюся только в тепловом воздействии на металл,

-химико-термическую, сочетающую тепловое и химическое воздействия,

-термомеханическую, сочетающую тепловое воздействие и пластическую деформацию.

2.1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Собственно термическая обработка включает следующие виды:

-закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на сплавы (нагрев и охлаждение) с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространённых в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.

Термическая обработка может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств (облегчения ковки, штамповки, прокатки), так и окончательной – для обеспечения в материале или изделиях требуемого комплекса свойств

Так как основными факторами любого вида термической обработки являются температура и время, то любой процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени.

При рассмотрении разных видов термообработки железо-углеродистых сплавов (стали, чугуны) используются следующие условные обозначения критических точек этих сплавов (рис. 1.1).

Рис. 1.1 . Обозначение критических точек стали

Критические точки А₁ лежат на линии PSK (727 °C). Критические точки А₂ находятся на линии МО (768 °C). Критические точки А₃ лежат на линии GS, а критические точки А_cm — на линии SE.

Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.

Основы термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

Рис.2.1. Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 12.1 ).

Рассмотрим следующие виды термической обработки:

2.2 Отжиг 1 рода

– возможен для любых металлов и сплавов.

Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.

Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение

Разновидностями отжига первого рода являются:

· отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.

2.3 Отжиг II рода

– отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Проводят отжиг второго рода с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

2.4 Закалка

– проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

– проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 2.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную .

Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство готового изделия.

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии.

Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (F_A ), мартенсита (F_M ), перлита (F_П )

1. Превращение перлита в аустенит , происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

2. Превращение аустенита в перлит, происходит при охлаждении ниже А₁ , минимальной свободной энергией обладает перлит:

3. Превращение аустенита в мартенсит, происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

4. Превращение мартенсита в перлит ; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

3.ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, такие как: цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, борирование, силицирование, диффузионная металлизация стали и др.

Химико-термическая обработка является одним из наиболее распространенных видов обработки материалов с целью придания им эксплуатационных свойств. Наиболее широко используются методы насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом как порознь, так и совместно. Это процессы цементации (науглероживания) поверхности, азотирования — насыщения поверхности стали азотом, нитроцементации и цианирования — совместного введения в поверхностные слои стали углерода и азота. Насыщение поверхностных слоев стали иными элементами (хромом — диффузионное хромирование, бором — борирование, кремнием — силицирование и алюминием — алитирование) применяются значительно реже.

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя

Глубина диффузионного слоя в зависимости от продолжительности процесса и температуры

Под цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930–950 °С — т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. Обычно применяется закалка с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико-термической обработки или после подстуживания до 800–850 °С и повторного нагрева выше точки АС3 центральной (нецементованной) части изделия. После закалки следует отпуск при температурах 160–180 °С.

Цементация как процесс химико-термической обработки, в основном, применяется для низкоуглеродистых сталей типа Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др., однако в ряде случаев может быть использована при обработке шарикоподшипников — стали ШХ15, 7Х3 и коррозионностойких сталей типа 10Х13, 20Х13 и т. д. Стали, рекомендуемые для цементации, должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементованного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердостей, который составляет 30–43 HRCЭ. Учитывая длительность процесса цементации и высокую температуру процесса, рекомендуется при этом виде химико-термической обработки использовать наследственно мелкозернистые стали, размер зерна которых не должен превышать 6–8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств.

Цементация производится в углероднасыщенных твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами.

При твердофазной цементации процесс ведут следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики таким образом, чтобы их объем, в зависимости от сложности конструкции детали, занимал от 15 до 30 % объема цементационного ящика. Ящики загружают в печь, нагретую до температур от 600–700 °С и нагревают до температуры цементации — 930–950 °С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи — охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе. К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся: невозможность регулирования степени насыщения и невозможность проведения закалки непосредственно после цементации, дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п. Однако простота метода, возможность проводить процесс на стандартном печном оборудовании без установки дополнительных устройств делают этот метод весьма распространенным в условиях мелкосерийного производства в ремонтных цехах и на участках крупных предприятий. Цементация в жидкофазном карбюризаторе применяется для мелких деталей. К недостаткам этого процесса относятся неравномерность глубины цементованного слоя и необходимость частых регенераций углероднасыщенного расплава. В случае серийного и крупносерийного производства цементованных изделий наибольшее распространение получила цементация в газообразных карбюризаторах. Этот метод обеспечивает наибольшую равномерность по толщине и свойствам цементованного слоя, снижает время, затрачиваемое на процесс химико-термической обработки, а в ряде случаев позволяет производить закалку изделий непосредственно после цементации. В последнее время получил распространение процесс вакуумной цементации. Печи для вакуумной цементации состоят из нагревательной камеры, снабженной вентилятором для обеспечения интенсивной циркуляции воздуха, закалочного бака и транспортных устройств. Подготовленные для вакуумной цементации детали помещают в нагревательную печь, вакуумируют и нагревают до 1000–1100 °С, затем в печь подается газообразный карбюризатор — очищенный природный газ, пропан или бутан. Этот метод позволяет ускорить процесс цементации, повысить качество получаемого слоя.

Качество процесса цементации оценивается по эффективной толщине цементованного слоя, которая определяется по одному из двух показателей — твердости или структуре слоя. Структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из нескольких зон: поверхностной — заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной — перлитной и доэвтектоидной — перлитоферритной. Эффективную толщину цементованного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличениях от 100 до 500 раз.

В случае, когда за критерий оценки толщины цементованного слоя принимается твердость или микротвердость после цементации, то оценка ведется на термически обработанных образцах, а за конец цементованного слоя принимается зона с твердостью 50 HRCЭ или 540–600 Н

Под азотированием подразумевается процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стального изделия или детали азотом при нагреве в соответствующей среде. Целью азотирования являются повышение твердости поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере.

Азотированию подвергаются самые разнообразные по составу и назначению стали — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов (табл. 2).

Азотирование проводится при температурах значительно ниже температур цементации и температур фазовых превращений, поэтому иногда этот процесс называют низкотемпературной химико-термической обработкой или низкотемпературным азотированном. Температура процесса азотирования обычно не превышает 600 °С. Однако следует отметить, что в последние годы все большее распространение получает процесс высокотемпературного азотирования (600–1200 °С). Этот процесс применяют для насыщения азотом поверхностей деталей из ферритных и аустенитных сталей, ряда тугоплавких металлов — титана, молибдена, ниобия, ванадия и т. д.

Таблица 2. Составы основных насыщающих сред и режимы химико-термической обработки при азотировании

Химико-термической обработкой называется обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (C, N, Al, Cr, Si и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Содержание

Работа состоит из 1 файл

Министерство Образования и Науки Российской Федерации.docx

Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Общая характеристика процессов химико-термической обработки сталей……. 4

Диффузионная металлизация……………………………………………… ………..16

Список используемой литературы…………………………………………………. ..21

Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении. Большое число деталей массового применения подвергается цементации (науглероживанию), нитроцементации (азотонауглероживанию) и азотированию.

Широкое применение химико-термической обработки объясняется тем, что большинство деталей и механизмов работают в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии ( химической, электрохимической) при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. Химико-термическая обработка, повышая твердость поверхности, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии:

1. Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

3. Диффузия атомов насыщающего элемента вглубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1,в).

Природа первичных образований, фазовый состав и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель – диффундирующий элемент.

Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.

Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 – 0,10 мм или после окончательной обработки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 – 0,05 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.

Рассмотрим механизм образования и строение цементованного слоя. Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH ₄ и др.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

Цементация, как правило, проводя т при температурах выше точки Ас ₃ , при которых устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.

При температуре цементации (выше точки Ас ₃ ) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада: феррита и цементита (рис. 3,а). Концентрация углерода при этом обычно не достигает предела насыщения (C_max) при данной температуре.

Рис. 3. Диаграмма состояния Fe - Fe ₃ C (а), изменение содержания углерода, твердости после закалки (б), и микроструктуры после медленного охлаждения (в, х 250) по толщине цементованного слоя.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 3,б). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 3,в): заэвтектоидную 1, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку бывшему зерну аустенита; эвтектоидную 2, состоящую из одного пластичного перлита, и доэвтектоидную 3 – из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементируемого слоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующих элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя – аустенит и карбиды, имеющие глобулярную форму. В этом случае средняя суммарная концентрация углерода на поверхности может превышать растворимость углерода в аустените при данной температуре. Нередко концентрация углерода в сталях, содержащие Cr, Mn, W, Mo или V, достигает 1,8 – 2,0%.

Легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, на толщину слоя практически влияния не оказывают.

При цементации твердым карбюризатором насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементированном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению

Углерод выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:

BaCO ₃ + C→BaO + 2CO.

Газовая цементация осуществляется путем нагрева изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (CH ₄ ) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана:

CH ₄ →2H ₂ + C_ат, Cат→Feγ=аустенит Fe_γ(С).

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки Ас₁ (сердцевины) при 820 – 850˚С.

Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840 – 860 ˚С, для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали.

Заключительно операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое, отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Материаловедение – это наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях.

Термическая обработка стали – это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Цель термообработки – это придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации этих изделий. Есть упрочнение металла (например: коленчатый вал в двигателе автомобиля – к нему предъявляется повышенная прочность при эксплуатации). Но есть и такие технологические процессы, в которых термообработка не является конечной операцией, а промежуточной и её цель – снижение твёрдости стали, сплава для последующей обработки. Процесс термообработки состоит из нагревания до каких то определённых температур, выдержки детали, заготовки при этих температурах и последующем охлаждении с определённой скоростью. Термообработке подвергают заготовки (кованные, штампованные и т.д.), детали машин и различный инструмент. Для заготовок термообработка заключается в снижении твердости, улучшении их структуры, а для деталей – это придание им определённых свойств (твердости, прочности, износостойкости). Улучшение механических качеств даёт возможности использовать сплавы более простых составов, расширить область их применения. Термообработкой можно повысить допускаемые напряжения, уменьшить массу деталей и механизмов, а также существенно повысить их надёжность и долговечность, что очень важно в машиностроении. Например, упрочнению термообработкой подвергаются до 10% общей выплавки в стране, а в машиностроении до 40%. В термообработке есть следующие виды этого процесса: отжиг, закалка, отпуск, а также есть химико-термическая и термомеханическая обработка. В данном реферате будут рассмотрены, основные виды термической обработки стали.

Не смотря на наш компьютерный век, современному человеку необходимо знать и применять термообработку сталей и сплавов.

Ознакомится, и изучить термическую обработку, сплавов.

Основные виды термической обработки стали.

После проката, литья, ковки, обработки резаньем и прочих видов обработки происходит неравномерное охлаждение заготовок. В результате чего появляется неоднородность, как структуры, так и свойств, а также появление внутренних напряжений. А также отливки при затвердевании получаются неоднородными по химическому составу. Для устранения таких дефектов и применяют отжиг.

Отжигом – называется вид термической обработки, состоящий в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.

Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующим операциям.

Отжиг делится на полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный. Полный отжиг применяется для снижения твердости, прочности стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный отжиг применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.

Изотермический отжиг заключается, в нагреве стали до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается, более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный отжиг заключается, в нагреве стали до 1000-1100 градусов по Цельсию, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая устраняется последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяют для того, что бы только снять внутреннее напряжение, которое возникает после механической обработки.

Нормализация состоит, из нагрева стали, её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе. Нормализация – это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

К термической обработке стали также, относят закалку. Суть этого процесса заключается, в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности, твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность. Закалка характеризуется двумя способностями: закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью, которая сталь приобретает после закалки, а также зависит от содержания углерода в данной стали. Стали с очень низким содержанием углерода (до 0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Прокаливаемость – это глубина проникновения закалённой зоны (области).

Прокаливаемость зависит от химического состава стали. С повышением содержания углерода прокаливаемость увеличивается. На прокаливаемость влияет также скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость. Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая, чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.

По способу охлаждения различают виды закалки: в одной среде, в двух средах, ступенчатая и изотермическая. Закалке в одной среде проще и наиболее чаще применяется, но недостаток её состоит в том, что возникают внутренние напряжения. При закалке в двух средах, изделие сначала охлаждают сначала в одной среде, а затем в другой (вода, масло, воздух).

При изотермической закалке, как и при ступенчатой, детали переохлаждают в среде, далее на воздухе. Преимущества этого способа закалки заключается в большей вязкости, отсутствии трещин, минимальном короблении. Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы. Существенную роль играют также способы погружения деталей в охлаждающую жидкость. Например длинные изделия вытянутой формы ( свёрла, метчики) погружают в строго вертикальном положении, чтобы избежать коробления.

Отпуск стали – это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали — снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.

При среднем отпуске нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5 часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов.

Наряду с горячей обработкой стали, применяется также обработка холодом.

Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0 градусов Цельсия.

Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений, поэтому после неё необходим отпуск.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности всегда связано с уменьшением пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. Термомеханическая обработка делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

При высокотемпературном – сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке, после закалки производят низкий отпуск.

При низкотемпературном – сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После деформации следует закалка. После закалки следует низкий отпуск.

Низкотемпературная обработка получила незначительное применение. Наиболее часто применяют высокотемпературную обработку. Её удобство в том, что заготовки сразу после окончания горячей обработки давлением: ковки или проката, могут подвергаться закалке без специального нагрева, используя только тепло после горячего деформирования. Преимущество этого процесса состоит в экономии топлива, для нагрева под закалку, сокращение времени изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной вязкости при незначительном снижении пластичности.

Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки-поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.
Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий :

диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов

диффундирующего элемента .Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;

адсорбиции, т.е. кантактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Читайте также: