Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали

Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации требует меньшего времени для получения слоя заданной толщины, характеризуется значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы и более высокими сопротивлением износу и коррозии.

Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость  в связи принятия специальных  мер по охране труда.

 

VI  Борирование.

Борированием называется химико-термическая обработка, заключающаяся  в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Борирование чаще выполняют при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930 – 950 ˚С при выдержке 2 – 6 ч. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями (NaCl, BaCl₂), в которые добавляют 20% ферробора или 10% карбида бора (В₄С). Хорошие результаты получены при газовом борировании. В этом случае насыщение ведут при 850 – 900 ˚С в среде диборана (В₂Н₆) или треххлористого бора (BCl₃) в смеси с водородом.

Диффузионный слой состоит  из боридов FeB (на поверхности) и Fe₂B (рис. 9, д). Толщина слоя 0,1 – 0,2 мм. Борированный слой обладает высокой твердостью (HV 1800 – 2000), износостойкостью (главным образом, абразивной), коррозионной стойкостью, окалиностойкостью (до 800 ₆˚С) и теплостойкостью.

Борирование применяют  для повышения износостойкости  втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин для литья под давлением. Стойкость указанных деталей после борирования возрастает в 2 – 10 раз.

 

VII  Диффузионная металлизация (диффузионное насыщение металлами).

Поверхностное насыщение  стали алюминием, хромом, цинком и  другими элементами называют диффузионным насыщением металлами. Изделие, поверхность  которого обогащена этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относится высокая жаростойкость, коррозионная стойкость, повышенная износостойкость и твердость.

В зависимости от метода переноса диффузионного элемента насыщаемую поверхность различают следующие  основные способы диффузионной металлизации: 1. Погружением в расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет низкую температуру плавлением (например, алюминия, цинк); 2. Из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза); 3. Из сублимированной фазы путем испарения диффундирующего элемента; 4. Из газовой фазы (контактным и неконтактным методом), состоящий из галогенных соединений диффундирующего элемента.

Галогенные соединения диффундирующего элемента получают путем воздействия галойдного или галойдоводородного газа на этот элемент или его ферросплав:

Э + nНГ ↔ ЭГ_n +

H₂.

На границе раздела  газовая фаза – обрабатываемая поверхность  могут протекать следующие реакции: 1. Реакция обмена; ЭГ_n + Fe ↔ FeГ_n + Э; 2. ЭГ_n ↔ Э + Г_n; 3. Реакция диспропорционирования: ЭГ_n ↔ Э + ЭГ_m, где Э – диффундирующий элемент; Г – соответствующий галоид (Cl, F, J, Br) и n и m – стехиометрические коэффициенты (целые числа).

Элемент Э, образующийся в результате реакций, адсорбируется  обрабатываемой поверхностью и диффундирует в глубь обрабатываемого изделия. Наиболее часто применяют контактный метод насыщения из газовой фазы. Для этого обрабатываемое изделие  упаковывают в порошкообразную среду, состоящую из ферросплава диффундирующего элемента (50 – 75%), Al₂O₃ или шамота и 0,5 – 5,0 NH₄Cl. При высокой температуре диссоциирует NH₄Cl → NH₃ + HCl. При этом полученный HCl взаимодействует с ферросплавом, образуя галоидные соединения диффундирующего элемента. Процесс ведут при 950 – 1150 ˚С в течении 3 – 12 ч.

В последние годы насыщение  металлами (например, хромом) производится путем испарения диффундирующего элемента в вакууме. Ниже дана характеристика наиболее часто применяемых процессов диффузионной металлизации.

Алитирование.

Алитированием называют насыщение поверхности стали  алюминием.

В результате аллитирования сталь приобретает высокую окалиностойкостью (до 850 – 900 ˚С), так как в процессе нагрева на поверхности аллитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al₂O₃, предохраняющая металл от окисления. Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Структура алитированного слоя представляет собой твердый  раствор алюминия в α-железе (рис. 9,а). концентрация алюминия в поверхностной части слоя составляет ≈30%. Толщина слоя 0,2 – 1,0 мм. Твердость алитированного слоя (на поверхности) до HV 500, износостойкость низкая. Алитированию подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температурах.

Хромирование.

Хромированием называют процесс насыщения поверхности  стальных изделий хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость) – до 800 ˚С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3 – 0,4% С, повышает также твердость и износостойкость.

Рис. 9. Микроструктура диффузионных слоев (х 250):

а – алитированный слой на железе (α-фаза); б – хромированный слой на железе (α-фаза); в - хромированный слой на стали, содержащей 0,45% С, состоящий из карбида (Fe, Cr)₇C₃; г – силицированный слой на стали, содержащей 0,4% С (α-фаза); д – борированный слой на стали, содержащей 0,8% С (FeB и Fe₂B).

 

Диффузионный слой, получаемый при хромировании технического железа, состоит из твердого раствора хрома в α-железе (см. рис. 9,д). Слой, получаемый при хромировании стали, содержащий углерод, состоит из хрома (Cr, Fe)₇C₃ или (Cr, Fe)₂₃C₆. На рис. 9, в показана структура хромированного слоя, полученного на стали 0,45% С. Слой состоит из      (Cr, Fe)₇C₃. Под слоем карбидов находится переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8%). Такие слои образуются в результате диффузии углерода из внутренних слоев к поверхности навстречу хрому. Углерод обладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для образования карбидного слоя используется не весь углерод, и под карбидным слоем находится переходный слой с высоким содержанием углерода. карбидный слой обладает высокой твердостью. Твердость слоя, полученного хромированием железа, составляет HV 250 – 300, а хромирование стали – HV 1200 – 1300.

Для деталей, работающих в агрессивных средах, хромированный  слой должен состоять из α-фазы и иметь толщину 0,1 – 0,15 мм. Для деталей, работающих в условиях сильного износа и коррозии, рекомендуется карбидный слой глубиной 0,025 – 0,03 мм.

Хромированием используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.

Силицирование.

Насыщение поверхности  стали кремнием называют силицированием. Силицирование придает стали  высокую коррозионную стойкость  морской воде, в азотной, серной и  соляной кислотах и несколько увеличивает устойчивость против износа.

Силицированный слой (рис 9,г) является твердым раствором кремния в α-железе. Под диффузионным слоем часто наблюдается слой перлита. Это объясняется оттеснением углерода из диффузионного слоя в следствие пониженной растворимости его в кремнистом феррите. Силицированный слой отличается повышенной пористостью, толщина его 0,3 – 1,0 мм. Несмотря на низкую твердость (HV 200 – 300), силицированный слой обладает высокой износостойкостью после предварительной пропитки маслом при 170 – 200 ˚С.

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, боты и т.д.).

 

Список используемой литературы:

1. Лахтин Ю М., Леонтьева В. П. Материаловедение: учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1980 – 493 с., ил.
2. Б. В. Кнорозов, Л. Ф. Усова, А. В. Третьяков, И. А. Арутюнова, С. П. Шабашов, В. К. Ефремов. Технология металлов. «Металлургия», 1978. 904 с.

¹ Добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатором

² Для газовой цементации с применением природного газа или эндогаза часто применяют бузмуфельные печи СЩЦ с более высоко производительностью. При работе в шахтных печах наблюдаются значительные колебания концентрации углерода в слое (от 0,5 до 1,3%) и как следствие этого, механические свойства не стабильны. Кроме того, при использовании шахтных печей неизбежен контакт нагретых изделий с воздухом

³ Точка росы – температура, при которой начинается конденсация содержащихся в атмосфере водяных паров; измеряется специальным прибором. Точка росы регулируется изменением коэффициента избытка воздуха (α), подаваемого в генератор.

⁴ При 500 – 520 ˚С степень диссоциации аммиака составляет 15 – 25%, а при 600 – 650 ˚С возрастает до 40 – 50%.

⁵ Тенифер (Tenifer) – от начальных слогов трех латинских слов: tenax – твердый; nitrogenium – азот; ferrum – железо.

⁶ Суммарное содержание С и N характеризует качество слоя только при мартенситно-аустенитной структуре, не содержащей карбидной фазы.