Классификация химико-термической обработк

А. Ф. Белякова

Краткий  курс лекций по химико-термической обработке (ХТО).

 

Оглавление

 

1. Введение

2. Классификация  химико-термической обработки………………………………………….2

 

I. ХТО элементами, образующими твёрдые растворы  внедрения с железом………………3

1.  Цементация  стали…………………………………………………………………………...3

  1). Твёрдая  цементация……………………………………………………………………….3

  2). Газовая  цементация………………………………………………………………………..4

  3). Термическая  обработка после цементации………………………………………………4

  4). Цементация  и нитроцементация в "кипящем" слое……………………………………..5

  5). Вакуумная  цементация в среде ацетилена.………………………………………………6

2. Азотирование  стали………………………………………………………………………….7

  1). Износостойкое  азотирование……………………………………………………………..8

  2). Антикоррозийное азотирование…………………………………………………………..9

  3). Ионное  азотирование………………………………………………………………………9

3. Цианирование (нитроцементация) стали………………………………………………… 10

4. Диффузионное  борирование……………………………………………………………….11

 

II. ХТО элементами, образующими с железом и другими металлами твёрдые растворы замещения (диффузионная металлизация стальных деталей)………………………………12

  1). Диффузионное  алитирование стали……………………………………………………...12

  2). Диффузионное хромирование стальных деталей……………………………………….14

  3). Диффузионное силицирование  стальных деталей………………………………………15

  4). Диффузионное Сульфоцианирование (сульфидирование) стальных деталей………...16

  5). Диффузионная бериллизация стальных деталей………………………………………...17

  6). Диффузионное  титанирование стальных деталей……………………………………….18

  7). Диффузионное  цинкование стальных изделий………………………………………….19

 

III. ХТО чугуна…………………………………………………………………………………20

  1). Азотирование  чугунных деталей…………………………………………………………20

  2). Алитирование  чугунных деталей…………………………………………………………20

  3). Диффузионное хромирование  чугунных деталей……………………………………….21

  4). Диффузионное сульфидирование  чугунных  деталей       ……………………………...21

  5). Диффузионное силицирование  чугунных деталей……………………………………...21

 

I\/. Химико-термическая обработка металлокерамических изделий………………………21

  1). Зависимость механических свойств после цианирования от плотности железных изделий …………………………………………………………………………………………21

  2). Защита от коррозии методом  электрохимических покрытий………………………….22

  3). Защита от коррозии пинингованием…………………………………………………….22        

 

\/. Приложение.…………………………………………………………………………………

  1). Карбооксидирование титановых  сплавов контактным и бесконтактным  способами..23

 

Заключение……………………………………………………………………………………..26

 

Список литературы…………………………………………………………………………….27

 

1. Введение.

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс насыщения поверхности деталей каким-либо химическим элементом посредством диффузии этого элемента из внешней специально созданной среды, в которую помещаются подвергаемые ХТО детали.

  ХТО возможна, если насыщающий элемент образует с основным компонентом твёрдые растворы.

  При ХТО происходят 3 элементарных  процесса:

1). – Диссоциация, в результате которой насыщающий элемент получается в атомарном виде. Например: 2 NH₃ → 2 N_ат. + 3H₂   2CO → C_ат. + CO₂ .

2). Адсорбция – поглощение поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

3). Диффузия – образование диффузионного слоя толщиной δ мм – за счёт поглощения насыщающего элемента в объёме детали.

  Все  3 этапа ХТО пропорциональны температуре  и времени, толщина диффузионного слоя пропорциональна также градиенту концентрации  насыщающего элемента и коэффициенту диффузии:

Dm = - D dF dC/dχ dτ (первый закон Фика). D = A e^-Q/RT ,

Где m – количество диффундирующего вещества, г; F - площадь поперечного сечения, мм² ; C – концентрация, χ – глубина слоя; dC/dχ – градиент концентрации, г /мм; τ – время; R – универсальная газовая постоянная; Q – энергия активации, ккал/(г-атом); R = 8,3144, Дж/мольК.

  Энергия активации при образовании твёрдых растворов внедрения ниже, чем при образовании твёрдых растворов замещения, поэтому и скорость процессов ХТО выше.[Q процессов образования твёрдых растворов внедрения углерода и азота в γ-Fe 31 – 32 ккал/(г-атом); Q образования твёрдых растворов замещения хрома, алюминия, никеля, титана и др. металлов в γ-Fe ≥ 60 ккал/(г-атом)].

  Механизм диффузии при образовании  твёрдых растворов внедрения  – междоузельный (Рис. 1.), при образовании твёрдых растворов замещения – вакансионный (Рис 2.).

Рис. 1.

 

Схема элементарного акта диффузии по междоузельному механизму.

 В соответствии с рис. 1 в точке C достигается максимальное значение энергии.Увеличение энергии E_m при перемещении атома из одного междоузлия в соседнее вызвано появлением упругих напряжений, образующихся при «проскакивании» мигрирующего атома между атомами растворителя. E_a и E_b - средняя тепловая энергия атомов, E_m - максимальная тепловая энергия (энергетический барьер).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2

Схема элементарного акта диффузии по вакансионному механизму.

 

В соответствии с рис.2 при переходе из позиции а в положение в атом 1 должен «протиснуться» между атомами 2 и 3. В положении б атомы 2 и 3 «раздвинуты» и решётка обладает значительной упругой энергией. Поэтому промежуточному положению б соответствует более высокий уровень энергии, чем а и в.

  Средняя  тепловая энергия атомов E_a значительно меньше, чем E_m . Энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера E_m при переходе атома из одного положения в другое называют энергией активации (или теплотой диффузии) и обозначают Q. Чтобы проходила диффузия, требуется флуктуация энергии (Е_ф ). Отдельные атомы с энергией флуктуации Е_ф > Q могут преодолеть энергетический барьер и могут перескочить из одного положения равновесия в другое (рис.2).

 

2. Классификация химико-термической обработки и твёрдых растворов или фазовой перекристаллизации. (Рис 3).

 

Химико-термическая обработка

              ↓                                                              ↓                                             ↓

→Диффузионное насыщение                                               Диффузионное насыщение                        Многокомпонентное насыщение

         неметаллами                                                                               металлами                                     металлами и неметаллами

                 ↓                           ↓                                                                 ↓                                   ↓

Однокомпонентное        Многокомпонентное                   Однокомпонентное      Многокомпонентное         Насыщение бором

→ насыщение               →        насыщение                     →            насыщение                    насыщение              →  совместно с металлами

       металлами                       неметаллами                                 металлами                   металлами                          (Cr, Mo, W, Ti)

                                                                                                                                                     ↓                                            ↓

→     Цементация          → Нитроцементация                     →     Алитирование

                                                                                                                                                       ↓                                            ↓

→        Азотирование         →    Цианирование                        →     Хромирование           

                                                                                                                                         Насыщение алюминием        Насыщение кремнием                                                                                                                                             

                                                                                                                                       →    совместно с другими        →  совместно с металлами

→         Борирование        →     Сульфоцианирование              →  Цинкование              металлами (Cr, Ti. Zn, V)        (Cr, Mo, W, Ti)                                                                                                                                                                                                                                                             

                                                                                                                                                                                                                   

                                                                                                                                                                                                  → Карбохромирование

                                           →     Боросилицирование               →   Титанирование     →  Насыщение хромом совместно                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

                                                                                                                                                  с другими металлами                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

                                                                                                                                                       (Al, Ti, Mn и др.) 

                                                                                                       →     Силицирование                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

 

                                                                                                      →    Насыщение другим                                              →   Хромоазотирование

                                                                                                         Металлами

 

 

В практике ХТО в промышленном масштабе применяют  следующие виды химико-термической обработки металлов (стали, серого чугуна, цветных металлов и сплавов): цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию и различные способы диффузионной металлизации – хромирование, алитирование, силицирование , титанирование и др.)

 

I. ХТО элементами, образующими с железом и другими металлами твёрдые растворы внедрения.

1. Цементация стали.

  Цементацией называется процесс  диффузионного насыщения деталей  углеродом. Цементация назначается  деталям, работающим «на удар и на износ»: детали должны иметь «вязкую» сердцевину и твёрдый износостойкий поверхностный слой. Их изготовляют из малоуглеродистых сталей (0,1 – 0,25) % углерода. В отдельных случаях, для тяжелонагруженных деталей, применяются стали, содержащие 0,25 – 0,30 % углерода.