Химико - термическая обработка стали

 

Министерство образования  и науки Украины

Запорожский национальный технический университет

 

 

Кафедра материалознавства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

" Химико - термическая обработка стали"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр. М-223                                                     Трачук.А.А

Проверил                                                                                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запорожье 2013 г.

 

Содержание

 
 
1. Основы химико-термической обработки 3 
 
2. Цементация 5 
 
3. Азотирование 8 
 
4. Нитроцементация и цианирование стали 10 
 
5. Борирование и силицирование стали 15 
 
6. Диффузионная металлизация стали 18 
 
6.1 Алитирование 18 
 
6.2 Хромирование 20 
 
6.3 Титанирование 23 
 
6.4 Цинкование 23 
 
Заключение 25 
 
Список используемой литературы 26

 

Введение

 
 
В данной работе я постараюсь рассмотреть понятие химико-термическая обработка, что представляет собой процесс такой обработки и её виды, такие как: цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, борирование, силицирование, диффузионная металлизация стали и др. 
^

1. Основы химико-термической  обработки

 
 
Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с  целью изменения состава, структуры  и свойств поверхностного слоя стали. 
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. 
 
Р  
Толщина слоя 
ис.1  
 
Глубина диффузионного слоя в зависимости от продолжительности процесса и температуры

2. Цементация

 
 
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 НV. 
 
Существует еще один приблизительный метод оценки глубины цементованного слоя. Метод оценки изломов проб в закаленном состоянии, а также данные о влияние температуры и продолжительности цементации на глубину слоя по излому закаленных проб приведены в табл. 1. Такой метод является одним из старейших при оценке глубины цементованного слоя, используется при твердофазной цементации и состоит в следующем. В середине передней стенки цементационного ящика вставляются пробные прутки, которые время от времени извлекают и закаливают; по излому судят о глубине цементованного слоя. 
Таблица 1.  
 
Глубина слоев при различных условиях проведения цементации в мм

Продолжительность цементации, ч после  достижения    температуры ХТО	Глубина слоя (мм) для температуры  ХТО
	850 °С		900 °С
	1*	2*	1*	2*
1	0,4	0,5	0,6	0,8
5	0,8	1,0	1,2	1,3
10	1,2	1,5	1,5	1,8
30	1,5	1,8	2,5	2,8
60	2,5	3,2	4,5	5,2

 
Примечание:  
 
Метод оценки по излому закаленных проб  
 
1* — углеродистые стали, 2* — легированные стали.

 

3. Азотирование

 
 
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

Состав насыщающей среды		Режим азотирования		Глубина слоя, (мм)
		Т, °С	τ, ч
Азотирование изотермическое
1	Аммиак NH3 давление, Па: 192,4–721,5 степень  диссоциации,    20–40 %	500-520	6-90	0,1-0,8
	30–55	560–580	1–10	0,15–0,4
2	20 % NH3 + 80 % N2 (или N2 + H2)*1	500–520	6–90	0,1–0,8
Азотирование двухступенчатое
3	20 % NH3 степень диссоциации    20–40 %	500–520	15–20	0,5–0,8
	40–45	540–560	25–40	0,5–0,8
Азотирование с добавками углеродсодержащих газов
4	Аммиак NH3 + 50 % эндогаза (40 % H2 + 20 % СО + 40 % N2)*2	570	0,5–3,0
5	Аммиак NH3 + 50 % эндо-экзогаза (20 % H2 + 20 % СО + 60 % N2)
6	Аммиак NH3 + 50 % экзогаз (10 % СО + 90 % N2) в отношении 1 к 2
7	58,6 % N2 + 17,9 % H2 + 14,3 % NH3 + 3,5 % СО + 2,2 % СО2 + 3,5 % Н2О
8	Аммиак NH3 + 50 % С2Н8 (пропана)*3	570	2–10
9	Продукты пиролиза керосина, спирта (50 %) + Аммиак NH3 (50 %)	570	1–6
Азотирование антикоррозийное *4
10	Аммиак NH3 давление, Па: 192,4–721,5, степень  диссоциации, %: 40–60	600–700	0,25–10	0,02–0,08

 
Примечание:  
 
*1 Процесс кратковременного азотирования при 570 °С — вместо жидкого азотирования. Разбавление аммиака азотом уменьшает хрупкость слоя. 
 
*2 Применение эндогаза при температурах ниже 700 °С — взрывоопасно. Требуется принятие специальных защитных мер. 
 
*3 Степень диссоциации аммиака — 30–60 %. 
 
*4 Антикоррозийному азотированию подвергают изделия, изготовленные из углеродистых сталей, работающих в условиях атмосферной коррозии. 
Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых средах — смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака и т. д. Для активизации процесса в насыщающую среду могут быть введены кислород или воздух. Достаточно широкое применение нашли среды, где азот-насыщенные среды дополняются углероднасыщенными, — то есть среды, где кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный или светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина и т. п. 
Для азотирования в жидких средах, которое также называют «мягким азотированием» или «тенифер-процессом» применяют расплавы цианид-цианатных солей или ванны на основе карбамида. Однако жидкое азотирование не получило широкого распространения из-за токсичности процесса, высокой стоимости используемого оборудования и используется, в основном, для обработки инструментов из быстрорежущих или высоколегированных инструментальных сталей. Подогретые инструменты выдерживают в ванне при 530–560 °С в течение 10–100 мин — в зависимости от типа инструмента, а затем охлаждают на воздухе. Необходимо строго следить за химическим составом насыщающего состава, так как полная азотирующая способность ванны устанавливается только в том случае, когда содержание цианатов составляет около 40 % от начального содержания в расплаве цианидов. 
 
Термическая обработка инструментальных сталей после азотирования производится по следующему режиму: закалка с температур 1000–1050 °С и затем, для повышения ударной вязкости, первый отпуск выполняется при температуре 350 °С, а последующие — при 560 °С. 
 
^

4. Нитроцементация и  цианирование стали

 
 
Нитроцементация или цианирование стали — процессы химико-термической  обработки, заключающиеся в высокотемпературном  насыщении поверхности изделия  азотом и углеродом. Причем процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах — нитроцементацией, 
 
Процесс нитроцементации обычно ведут при температурах 820–860 °С в средах эндогазов и эндоэкзогазов с добавками природного газа (метана) и аммиака. Чем больше толщина требуемого слоя насыщения, тем меньше должно быть содержание аммиака и метана и выше температура химико-термической обработки. Для получения слоя толщиной около 0,2 мм при температуре нитроцементации 800–820 °С в атмосферу печи добавляют 6–15 % аммиака и около 5 % метана. Для получения слоя 0,5–1,0 мм температура нитроцементации повышается до 860–880 °С , а содержание аммиака и метана снижаются соответственно до 0,6–1,3 % и 0,5–0,8 %. 
 
Основное назначение процесса нитроцементации — повышение твердости, контактной выносливости, износостойкости и предела выносливости изделий. Основной температурой процесса считается 860 °С. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мартенсита, небольшого количества равномерно распределенных частиц карбонитридов и 25–30 % остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую прирабатываемость. Содержание углерода на поверхности составляет 0,7–0,9 %, азота — 0,3–0,4 %. Эффективная толщина насыщаемого слоя не должна превышать 1 мм, так как при большей толщине в структуре слоя появляются фазы, резко снижающие предел выносливости и контактную выносливость материала. 
 
Цианирование проводят при температурах от 800 до 950 °С в расплавах, содержащих цианистые соли, причем с повышением температуры химико-термической обработки доля углерода в слое растет, а азота — понижается. Структура насыщенного слоя после цианирования оказывается аналогичной структуре слоя после нитроцементации. Химические составы основных расплавов для цианирования приведены в табл. 3. 
 
Таблица 3. Составы ванн и режимы цианирования изделий

Состав насыщающей среды	Режим цианирования		Глубина слоя, мм
	Т,°С	τ, ч
50 % NaCN +50 % NaCl (20–25 % NaCN +    + 25–30 % NaCl + 25–50% Na2CO3)*	840	0,5	0,15–0,2
	840	1,0	0,2–0,25
	870	0,5	0,2–0,25
	870	1,0	0,25–0,35
10 % NaCN +40 % NaCl + + 50 % BaCl2    (8–12 % NaCN +    + 30–55 % NaCl + 10 % Na2CO3 + + 15 % BaCl2)	840	1,0–1,5	0,25–0,3
	900	1,0	0,5–0,6
	900	2,0	0,7–0,8
	900	4,0	1,0–1,2
8 % NaCN +10 % NaCl + + 82 % BaCl2 (3–8 % NaCN + 30 % BaCl2 + + 30 % NaCl + 40 % BaCO2)	900	0,5	0,2–0,25
	900	1,5	0,5–0,8
	950	2,0	1,0–1,1
	950	3,0	1,0–1,2
	950	5,5	1,4–1,6

 
 
* В скобках дан рабочий состав ванн для цианирования. 
Цианистый натрий в расплаве солей окисляется кислородом воздуха с протеканием реакций: 
 
2NaCN + О2 ® 2NaCNO, (1) 
 
2NaCNO + О2 ® Na2C3 + CO + 2N, (2) 
 
2CO ® CО2 + С (3) 
 
Полученные в результате реакций (2) атомарный азот и (3) атомарный углерод диффундируют в железо. Следует иметь в виду, что активность ванн в процессе цианирования изделий постепенно снижается. Для поддержания скорости течения процесса следует периодически добавлять в расплав цианистый натрий. 
 
Цианирование применяется для изделий из низкоуглеродистых и низколегированных сталей и используют для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости при изгибе и контактной выносливости. 
 
Среди главных достоинств цианирования — относительно небольшая длительность процесса химико-термической обработки, малые деформации и коробления детали в ходе процесса насыщения, малые потери тепла. Главным же недостатком процесса цианирования является высокая токсичность применяемых расплавов и, следовательно, существуют экологические проблемы. Отсюда следует необходимость строительства изолированных помещений, установка в них систем вентиляции и очистки воздуха. 
 
Термическую обработку изделий после цианирования — закалку — проводят непосредственно из ванн, а затем дают низкий отпуск при температурах порядка 180–200 °С. Твердость насыщенного слоя после термической обработки находится в пределах 58–64 HRCЭ. 
 
Основными дефектами процессов насыщения поверхностных слоев изделий углеродом и азотом являются отслаивания; грубозернистый излом и хрупкость; магкая поверхность; крайне малая толщина насыщенной пленки и снижение твердости; повышенная хрупкость. 
 
Отслаивания. Это явление, в основном, присуще насыщению поверхности стали углеродом и связано со слишком низкой температурой цементации, когда содержание углерода по направлению к сердцевине выравнивается очень медленно или при слишком быстром нагреве, когда содержание углерода очень резко снижается по мере удаления от поверхности изделия. Такие резкие переходы, а также очень крупное зерно в наружной зоне вызывают (за счет возникновения напряжений отрыва) отделение цементованного слоя от сердцевины изделия в виде отслаивающейся оболочки. 
 
Грубозернистый излом и хрупкость. Грубозернистость цементованного слоя может быть обусловлена перегревом или передержкой при закалке, а также переизбытком углерода в поверхности изделия из-за слишком высокой или колеблющейся температуры цементации. Эти дефекты могут быть устранены повторной закалкой. Грубозернистость сердцевины может быть обусловлена закалкой с температуры цементации при отсутствии последующего измельчения зерна, слишком низкой температурой закалки, при использовании углеродистых и низколегированных сталей — завышенными размерами деталей, что приводит к недостаточной прокаливаемости сердцевины. 
 
Мягкая поверхность. Мягкие пятна на поверхности цементованных изделий могут быть обусловлены рядом нарушений процесса цементации, например, возникновением пустот (в отсутствии карбюризатора) при набивке деталей в цементационный ящик, а при газовой цементации — возникновением на поверхности детали корки графита. Другими причинами локального снижения твердости цементованного слоя могут быть дефекты закалки, связанные с обезуглероживанием, недостаточной скоростью охлаждения или возникновения паровой рубашки при охлаждении с температуры закалки. Для углеродистых сталей, характеризующихся малой закаливаемостью, такой дефект может быть устранен повышением скорости охлаждения при закалке, например, охлаждением детали в растворах солей. 
 
Сплошная мягкая пленка может образоваться на поверхности высоколегированных сталей при их переуглероживании за счет образования при нагреве под закалку поверхностного слоя аустенита, сохраняющегося до комнатных температур. Для устранения такого дефекта необходимо провести гомогенизацию и понизить температуру закалки изделия. 
 
В случае азотирования изделий мягкая поверхность или мягкие пятна на поверхности могут вызываться азотированием необезжиренных деталей. 
 
Повышенная хрупкость и склонность к выкрашиванию азотированного слоя может быть связана с азотированием обезуглероженной поверхности, которая могла образоваться на детали в процессе горячей обработки давлением, термической обработке. Такой слой должен быть удален с помощью механической обработки. Также следует иметь в виду, что твердость поверхности при азотировании несколько ниже твердости слоя, лежащего непосредственно под поверхностью, поэтому при азотировании высоконагруженных деталей рекомендуется провести удаление поверхностного азотированного слоя шлифовкой и притиркой до сборки конструкции. 
 
Нарушения температурного режима при азотировании также могут привести к возникновению ряда дефектов на насыщенной поверхности изделия. Так, слишком низкая температура процесса дает крайне малую толщину насыщенной пленки, причем такой дефект не выявить обычными методами контроля (проверкой твердости азотированного слоя), однако он крайне негативно отражается на эксплуатационных свойствах изделия. Подобный дефект может быть устранен повторным азотированием при правильной температуре процесса. Завышенные температуры азотирования применимы только для быстрорежущих и нержавеющих сталей, в других случаях они приводят к снижению твердости поверхности, которая уже не может быть восстановлена повторными азотированиями. 
^