2014-02-24
1100
Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев стальных деталей. Такой обработке часто подвергают детали с целью повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины.
Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирование, а также диффузионная металлизация.
Кроме указанных видов обработки, также применяют хромирование (насыщение поверхности слоя хромом), силицирование (насыщение кремнием), борирование (насыщение бором).
6.1.Цементация
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом.
Цель цементации — получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при сохранении вязкой и мягкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости. Насыщенный углеродом поверхностный слой называется цементированным.
|
|
|
Цементации подвергают детали из углеродистой (иногда и легированной) стали, содержащей углерода от 0,08 до 0,35 %.
Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, называются карбюризаторами. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. От вида применяемого карбюризатора цементация разделяется на твердую, жидкую и газообразную.
Твердая цементация (в твердом карбюризаторе) является наиболее старым процессом химико-термической обработки. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую (по массе) из древесного угля (70%), углекислого бария (20 — 25%) и углекислого кальция (3—5%). Добавление к древесному углю углекислых солей ускоряет процесс цементации.
Толщина верхнего слоя карбюризатора 30—40 мм.
Цементация проводится при температуре выше 950° С, но не более 1000°. Длительность выдержки и температура зависят от требуемой глубины науглероживаемого слоя, например цементация стали при температуре 900° С в течение 5 ч дает науглероженный слой глубиной 10 — 12 мм, а в течение 10ч — 1,5—3,0 мм.
Одним из существенных недостатком цементации в твердом карбюризаторе является значительная трудоемкость, загрязнение воздуха, невысокая производительность, большая длительность процесса. Для сокращения продолжительности цементации в качестве карбюризатора применяют пасты, имеющие различный состав, например, кокса 50%, углекислого натрия или калия 40%, щавелевокислого натрия или калия 10% и др.
Жидкостная цементация осуществляется путем погружения деталей в соляные ванны при температуре 830—850° С. Карбюризатором при этом являются расплавленные соли, содержащие 75—80% углекислого натрия (сода), 10—15% поваренной соли и 6—10% карбида кремния. Цементация происходит за счет атомарного углерода, выделяющегося в ванне при 820—850° С от взаимодействия солей с карбидом кремния. Длительность процесса составляет 0,5—2 ч. За 40—50 мин процесса глубина цементированного слоя не превышает 0,2 мм.
|
|
|
Цементации подвергают мелкие детали, глубина цементированного слоя не должна превышать 0,5 — 0,6 мм.
Преимуществом цементации в соляных ваннах является равномерность нагрева и возможность непосредственной закалки после выемки из цементационной ванны. Процесс проходит быстрее, чем при цементации в твердой среде.
Газовая цементация заключается в насыщении поверхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродсодержащих газов.
Газовую цементацию стальных деталей осуществляют в герметически закрытых камерах (муфелях) печей периодического или непрерывного действия путем нагрева при температуре 930—950° С в среде углеродсодержащих газов, например естественных, состоящих в основном из метана СН4, и окиси углерода СО. Используют также жидкие карбюризаторы: бензол, пиробензол, осветительный керосин, синтин (продукт синтеза окиси углерода) и сжиженный природный газ.
Продолжительность процесса устанавливается в зависимости от требуемой глубины цементуемого слоя. Нагрев в газовом карбюризаторе и процесс насыщения поверхностного слоя являются более прогрессивными и экономичными по сравнению с твердой цементацией.
6.2. Азотирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей азотом.
Цель азотирования — получение высокой твердости и износоустойчивости, хорошей сопротивляемости действию переменных нагрузок, высокого предела выносливости и коррозионной стойкости.
Азотирование производится в герметизированных муфельных камерных или шахтных печах путем нагревания деталей в атмосфере подаваемого под давлением газообразного аммиака NН3. При температуре 500—750° С аммиак разлагается на азот и водород. Атомы азота поглощаются поверхностью металла, диффундируют вглубь и, соединяясь с атомами железа, образуют твердое соединение — нитрид.
Для повышения коррозионной стойкости деталей из углеродистой и конструкционной сталей процесс азотирования проводят при более высоких температурах (600—700° С) в течение 0,5—1 ч. Глубина азотированного слоя зависит от температуры и длительности процесса азотирования, а также от химического и структурного состава стали; в среднем при 500° С азот за каждые 10 ч диффундирует на глубину 0,1 мм.
Азотированию обычно подвергают детали, предварительно подвергнутые закалке, отпуску и механической обработке, включая шлифование; к таким деталям относятся гильзы цилиндров двигателей, зубчатые колеса, валы, клапаны и седла для клапанов, шпиндели и ходовые винты станков, измерительные инструменты и т. п.
6.3.Цианирование
Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом. В зависимости от температур, при которых осуществляется процесс, различают три вида цианирования: высокотемпературное, среднетемпературное и низкотемпературное. Одновременное присутствие в среде углерода и азота ускоряет их совместную диффузию (насыщение) в поверхностные слои стали.
В качестве сред могут быть твердые порошки и пасты (твердое цианирование), расплавленные цианистые соли (жидкостное цианирование), науглероживающие и азотирующие газы (газовое цианирование).
Твердое цианирование осуществляется аналогично твердой цементации, при этом в карбюризатор добавляют цианистые соли. Такое цианирование применяется главным образом для повышения механических свойств режущего инструмента. Цианирование придает металлу большую износостойкость, чем цементация.
|
|
|
Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей в целях повышения твердости и износоустойчивости поверхности деталей, изготовленных из конструкционных низкоуглеродистых, а также быстрорежущих и высоколегированных сталей.
Высокотемпературное цианирование применяют в целях повышения твердости и износостойкости поверхности деталей, изготовленных из конструкционных низкоуглеродистых сталей 10, 20, 35, 12ХНЗА и других, содержащих 0,10—0,40% углерода. Оно осуществляется при температуре 780—930° С в ваннах, содержащих 20—40%-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями.
Продолжительность жидкостного цианирования колеблется от 5 мин до 1 ч. Глубина цианированного слоя обычно не превышает 0,35 мм. Для придания цианистому слою высокой твердости детали подвергают закалке и отпуску.
Среднетемпературное цианирование осуществляется при температуре 820—860° С.
Низкотемпературное цианирование применяется с целью повышения режущих свойств инструментов, изготовленных из быстрорежущих и высоколегированных сталей. Цианирование быстрорежущих сталей Р18 и Р9 ведут при температуре 550 — 570° С, высокохромистых сталей— при 510—520° С. Глубина цианированного слоя при этом достигает 0,02—0,06 мм.
Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также высокая их стоимость.
Газовое цианирование занимает промежуточное положение между газовой цементацией и азотированием. Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота.
Сущность этого способа заключается в том, что стальные изделия нагревают в герметически закрытых муфельных печах при 550—900° С в смеси аммиака (20 — 30%) и цементирующего газа (70 — 80%) в течение нескольких часов. При этом происходит насыщение стали углеродом и азотом. Таким образом, газовое цианирование представляет собой два одновременно идущих процесса — цементацию и азотирование. Отсюда газовое цианирование называют также нитроцементацией.
|
|
|
6.4. Диффузионная металлизация
Диффузионной металлизацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий алюминием, хромом, кремнием, бором и другими элементами с целью придания ему окалиностойкости, коррозионной стойкости, износостойкости и твердости.
В производство внедрены процессы насыщения поверхносного слоя алюминием — алитирование, хромом — хромирование, кремнием — силицирование и бором — борирование.
Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием, он основан на диффузии алюминия в железо. Алитированию подвергают для повышения окалиностойкости детали, работающие при высоких температурах (выхлопные коллекторы, колосниковые решетки, сопловые головки паровых котлов, камеры сгорания газогенераторных двигателей, цементационные ящики и т. п.).
Существуют три способа алитирования: жидкостный, твердый и металлизация. Наиболее производительным является способ металлизации.
При твердом способе алитирования стальные изделия закладывают в ящики и пересыпают тщательно перемешанной смесью, составленной из 49% порошка алюминия, 49% порошка окиси алюминия и 2% хлористого аммония (нашатыря). Упакованные в ящики изделия нагревают в печи до 950—1000° С в течение 5—10 ч, при этой образуется алитированный слой глубиной 0,3—1,0 мм.
При жидкостном алитировании в стальном тигле расплавляют алюминий, насыщенный 6—8% железа, и погружают в него изделия, которые в течение 50—90 мин выдерживают при температуре 750—800 ° С. При этом режиме глубина алитированного слоя составляет 0,2—0,35 мм.
Способ металлизации наиболее производительный. Сущность его состоит в том, что расплавленный алюминий сначала наносят на изделие распылением струи сжатым воздухом. Далее нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузионный отжиг изделий при температуре 920° С в течение 3 ч. В процессе отжига поверхностный слой изделия насыщается алюминием на глубину в среднем 0,5 мм.
Алитирование в расплавленном алюминии и в порошкообразных смесях имеет существенные недостатки в сравнении с приведенным.
Хромированием называют процесс насыщения поверхностного слоя изделий хромом с целью повышения коррозионной стойкости и кислотоупорности низкоуглеродистых сталей; у средне- и высокоуглеродистых сталей одновременно повышается твердость и износостойкость. Хромирование осуществляют в твердой, жидкой или газовой среде.
Для хромирования в твердой среде изделия помещают в ящик с порошкообразной смесью, состоящей из 60—65% металлического хрома или феррохрома, 30—35 % глинозема и 5 % хлористого аммония. В течение 7—12 ч процесс проводят при температуре 1100—1150° С. При этом образуется хромированный слой толщиной 0,1—0,25 мм.
Жидкостное хромирование проводят нагреванием изделий до 900—1100° С в ванне, состоящей из расплавленных хлористых солей бария, магния и кальция с добавкой 15—30% хлористого хрома или 15—25% феррохрома.
Газовое хромирование осуществляют нагреванием изделий в атмосфере паров хлористого хрома при температуре 950— 1050 ° С в течение 3—4 ч, в результате чего образуется хромированный слой 0,05—0,1 мм.
Силицированием называется процесс насыщения поверхностного слоя стали и чугуна кремнием для повышения износостойкости, коррозионной стойкости против окисления при высоких температурах (до 1200° С) и действия кислот. Силицирование осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах.
Борированием называют процесс поверхностного насыщения стали бором с целью повышения твердости, теплостойкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Борирование стали осуществляется электролизным методом в расплавленной буре (деталь — катод, графит — анод). Процесс ведут в течение 6—8 ч при температуре 950° С, глубина борированного слоя 0,15—0,25 мм. Хрупкость борированного слоя препятствует широкому применению этого процесса.
