Силицирование углеродистых сталей

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

(ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ»)

Машиностроительный факультет

 

Кафедра «Металловедение и технология обработки материалов»

 

 

  Допущен к защите:

  Заведующий кафедрой  «МТОМ»

  д.т.н., доц. Б.Д. Лыгденов

«_____» ____________ 2013 г.

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

(Д.2404.20.301.10.0000.ПЗ)

на тему: Силицирование углеродистых сталей 

 

 

 

                   

 

 

 

 

 

 

Исполнитель: студент 449 группы  очной  формы обучения Жамьянов В.К.

 

                                        

 

 

 

 

 

 

Дата защиты: «____»  ________________ 2013 г.

Оценка ___________   ___________________

Подписи членов комиссии:

  _____________      ____________ _ _______

  _____________       ____________________

 

 

Содержание

Введение

1. Технология силицирования стали

1.1 Электролизное силицирование

1.2 Оптимальные составы ванн и технологические параметры

безэлектролизного (жидкостного) силицирования

1.3 Силицирование в порошкообразных  смесях

1.4 Газовое силицирование

2. Технология силицирования

3. Оборудование для проведения  силицирования

4. Заключение

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одним из наиболее эффективных и широко применяемых в промышленности методов повышения долговечности многих ответственных деталей является, их химико-термическая обработка, которая воздействует, на поверхностные слои металла, т. е. на те слои, в которых концентрируются максимальные напряжения, возникают трещины, развиваются процессы износа и коррозии.

Химико-термической обработкой достигаются:

а) поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышаются поверхностная твердость, износостойкость, усталостная прочность, теплостойкость и т. д.);

б) повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (повышаются стойкость против коррозии, кавитационной эрозии, кислотостойкость, окалиностойкость и т. д.).

Химико-термическая обработка металлов и сплавов заключается в нагреве и выдержке их при высокой температуре в активных газовых, жидких или твердых средах, в результате чего изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять свойства металлов и сплавов. После некоторых видов химико-термической обработки для улучшения свойств сердцевины и поверхностных слоев проводят термическую обработку. Иногда термическая обработка предшествует химико-термической.

Химико-термическая обработка, основанная на поверхностном обогащении металлов, в большинстве случаев включает в себя три одновременно идущих элементарных процесса:

1 – образование во внешней среде диффундирующего элемента в активном атомарном состоянии;

2 – контактирование активных атомов диффундирующего элемента с поверхностью металла, адсорбция атомов и поглощение части этих атомов с установлением химических связей с атомами металла (абсорбция);

3 – диффузия  –проникновение в глубь металла абсорбированных атомов.

Силицирование – процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100 °C) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование придаёт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа. Силицирование может производиться в газообразных и жидких средах как электролизным, так и безэлектролизным методом. Силицированный слой отличается повышенной пористостью толщина его 300–1000 мкм. Несмотря на низкую твёрдость 200–300 HV, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при температурах 170–200 °C.

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т. д.). Силицирование широко применяют для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена. Так же силицированию подвергают детали из карбида кремния (SiC). Пример: электрические нагреватели из карбида кремния, подшипники скольжения для нефтяной и химической промышленности, конструкционные детали и др.

 

 

 

 

1 Технология силицирования стали

Насыщение поверхностных слоев стали кремнием в промышленности не получило еще достаточно широкого распространения. При диффузионном силицировании трудно получить беспористый слой с высоким содержанием кремния на поверхности (более 11–13%), имеющий хорошую сцепляемость с сердцевиной. При низкой активности насыщающей среды на поверхности стали формируется диффузионный слой кремнистого феррита небольшой глубины с невысокой концентрацией кремния на поверхности. Повышение активности насыщающей среды обычно приводит к образованию на поверхности стали пористого, хрупкого слоя а'-фазы состава Fe3Si, имеющего большую толщину (зачастую за 2–3 час насыщения слой а'-фазы получает толщину 0,5–1,5 мм). Под слоем а'-фазы обычно находится тонкий слой кремнистого феррита с меньшей концентрацией кремния.

За рубежом, однако, нашли применение различные методы и способы силицирования, приводящие как к образованию ферритных диффузионных слоев, так и слоев а'-фазы. Диффузионные слои а'-фазы состава Fe3Si обладают чрезвычайно высокой кислотостойкостью, поэтому стремятся получать слои толщиной в несколько десятых миллиметра с минимальной пористостью.

Одним из наиболее простых и известных является процесс силицирования в порошкообразных смесях, изучением которого занимались авторы многих работ. В качестве источника кремния в порошкообразных смесях применяют следующие вещества: кремний, ферросилиций, карбид кремния, силикокальций. 

Значительно меньше работ, посвященных жидкостному насыщению стали кремнием из расплавов солей и окислов без применения электролиза и электролизному насыщению.

Многочисленность разработанных и находящихся в стадии исследования методов и способов диффузионного силицирования свидетельствует о большом интересе к этому процессу ученых и работников промышленности и в то же время об отсутствии достаточно технологичных, пригодных для широкого промышленного использования методов и способов, и острой необходимости в разработке таких процессов.

1.1 Электролизное силицирование

Электролизное силицирование осуществляется на специальных установках, основными составными частями которых являются: печь-ванна, системы питания постоянным и переменным током и система автоматического контроля и регулирования температуры.

Для проведения электролизного силицирования в производственных условиях могут быть использованы шахтные электрические и газовые печи, позволяющие получить заданную температуру. При этом в печах для силицирования в отличие от серийных несколько изменяются огнеупорная кладка, конструкция крышки печи и устанавливается сварной тигель из нержавеющей или жароупорной стали. Тигли можно изготавливать как литьем, так и сваркой из листов. Предпочтение следует отдать сварным тиглям. Применение катодной защиты тиглей с целью предотвращения разъедания их электролитом обязательно. Как показала практика применения электролизных процессов на ряде заводов, в случае применения катодной защиты стойкость тиглей определяется качеством литья или сварки и достигает 3000–4000 час. Возможно, что в связи с повышением рабочей температуры при силицировании до 1050 °С потребуется дополнительная защита поверхности тиглей на границе раздела расплав–атмосфера. Целесообразно опробование в производственных условиях керамических тиглей.

В качестве источников постоянного тока используются генераторы или выпрямители постоянного тока, позволяющие получить заданную катодную плотность тока.

Детали, предназначенные для силицирования, монтируются на специальных приспособлениях, при этом необходимо должное внимание уделять получению надежного контакта между деталями и приспособлением. Наплавление электролита производится в обычном порядке. Электроды катодной защиты устанавливаются после заполнения расплавом примерно 1/3 объема тигля. Приспособление с деталями подключается в цепь электролиза в качестве катода.

В качестве анодов можно использовать графитовые, угольные и силитовые стержни. Перед погружением в расплав приспособление с деталями просушивается над зеркалом ванны. Погружение деталей в расплав должно производиться плавно. После проверки надежности крепления приспособлений с деталями, электродов и правильности электрических соединений включается ток электролиза из расчета 0,1–0,2 а/см2 поверхности обрабатываемых деталей и той части приспособления, которая находится в расплавленном электролите. Применение более высоких значений плотностей тока нецелесообразно, так как не сопровождается увеличением скорости формирования диффузионного слоя.

В зависимости от состава используемого электролита насыщение проводится при температурах 950–1100°С в течение 5–3 час.

По окончании процесса силицирования ток электролиза отключают, детали извлекают из расплава и подвергают непосредственной закалке или охлаждению на воздухе и промывке. Для ответственных деталей термическую обработку (закалку и отпуск) следует проводить как самостоятельную операцию (с целью измельчения зерна и придания необходимых свойств сердцевине).

При изготовлении деталей следует учитывать, что при силицировании происходит изменение размеров. В случае необходимости детали после насыщения могут подвергаться шлифовке. Однако, как правило, насыщение и последующая термическая обработка должны быть окончательными операциями при изготовлении деталей.

В качестве насыщающих сред при электролизном силицировании используются силикаты щелочных металлов, часто с добавками хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов или других веществ, повышающих жидкотекучесть силикатов.

1.2 Оптимальные составы ванн и технологические параметры

безэлектролизного (жидкостного) силицирования

В технологическом оформлении процесс жидкостного силицирования чрезвычайно прост. Насыщение может проводиться в печах любой конструкции, обладающих размерами рабочего пространства, достаточными для установки тигля. Однако удобнее использовать для жидкостного силицирования тигельные печи-ванны, подобные тем, которые используются для электролизного силицирования. Наплавление солей производится в обычном порядке. Предварительно просушенный восстановитель вводится в расплав небольшими порциями. Введение каждой очередной порции восстановителя сопровождается тщательным перемешиванием расплава. Детали загружаются в расплав в связках или на специальных приспособлениях. Детали, вязальная проволока и приспособления не должны выступать над зеркалом ванны.

Процесс насыщения проводится при температурах 900 – 1100°С в течение 2–10 час. После окончания выдержки детали из ванны выгружаются и подвергаются непосредственной закалке или охлаждению на воздухе и отмывке.

Процесс жидкостного силицирования сопровождается более или менее значительным газовыделением, поэтому ванны для силицирования должны быть снабжены вытяжной вентиляцией с бортовыми отсосами.

Для насыщения используются расплавы на основе силикатов щелочных металлов с добавками кристаллического кремния, ферросилиция, силикокальция, карбида кремния и других достаточно активных восстановителей.

Наибольшее влияние на глубину диффузионного слоя оказывает соотношение концентраций основных реагирующих веществ: восстановителя и восстанавливаемого стеклообразного окисла.

Применявшиеся восстановители представляют собой твердые порошкообразные вещества, находящиеся в среде основной расплавленной соли в виде взвеси. Жидкотекучесть взвеси ухудшается по мере увеличения содержания порошка в расплаве, соответственно этому должна снижаться и насыщающая способность ванны. Однако жидкотекучесть, по-видимому, играет в изменении глубины слоя по мере увеличения содержания восстановителя не главную, а второстепенную роль. В первую очередь состав ванны, обеспечивающий ей наивысшую насыщающую способность, определяется количеством восстановителя, которое необходимо ввести в ванну согласно наиболее вероятному уравнению реакции восстановления.

1.3 Силицирование в порошкообразных смесях

В качестве насыщающей среды при этом методе силицирования можно использовать порошки различных кремний содержащих веществ: металлизированного (кристаллического) кремния, карбида кремния, ферросилиция, силикокальция и их смеси. С целью предотвращения спекания смеси и налипания порошков на обрабатываемые изделия к ним рекомендуется добавлять «инертные» добавки: окись алюминия, окись магния, измельченный шамот и т. д. (в количестве до 30–40%). Для ускорения процесса в насыщающую смесь вводят 1–5% хлористого аммония или другие активные добавки. Как «инертные», так и активные добавки должны быть хорошо просушены и измельчены. Реакционная смесь перед употреблением должна быть тщательно перемешана.

Процесс силицирования в порошках может проводиться различными способами: в герметично закрытых контейнерах, защитных (инертной или восстановительной) атмосферах, в вакууме. Наиболее простым способом является силицирование в герметично закрытых контейнерах, изготовленных из нержавеющих или жаропрочных сталей. Конструкции контейнеров могут быть самыми различными.

Так как результаты силицирования очень сильно зависят от степени герметичности контейнера, предпочтение следует отдать контейнерам с плавкими затворами. Для насыщения могут быть использованы печи любой конструкции, обеспечивающие получение заданной температуры.

Упакованные контейнеры загружают в печь, разогретую до рабочей температуры (950–1200°С). Время насыщения выбирается в зависимости от требуемой глубины слоя.