Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация
Изменение химического состава поверхностных слоев стали посредством химико-термической обработки, характеристика ее основных параметров. Разновидности химико-термической обработки. Цементация стали, ее глубина и степень. Анализ видов цементации.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.02.2016 |
| Размер файла | 146,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Химико-термическая обработка стали: цементация, азотирование, нитроцементация и диффузионная металлизация
Содержание
- Химико-термическая обработка стали
- Цементация
- Цементация в твердом карбюризаторе
- Газовая цементация
- Термическая обработка после цементации
- Азотирование
- Цианирование и нитроцементация
- Диффузионная металлизация
- Литература
Химико-термическая обработка стали
Химико-термическая обработка (ХТО) - процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.
В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,
Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.
В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.
Диссоциация - получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.
Например,
Адсорбция - захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.
Адсорбция - всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Диффузия - перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.
Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.
Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.
Основными разновидностями химико-термической обработки являются:
· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).
Назначение и технология видов химико-термической обработки: цементации, азотирования нитроцементации и диффузионной металлизации
Цементация
Цементация - химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.
Глубина цементации (h) - расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h. = 1…2 мм).
Степень цементации - среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).
Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.
На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).
Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.
Цементация в твердом карбюризаторе
Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 oС.
За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:
Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.
Недостатками данного способа являются:
· значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);
· низкая производительность процесса;
· громоздкое оборудование;
· сложность автоматизации процесса.
Способ применяется в мелкосерийном производстве.
Газовая цементация
Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.
Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.
Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.
Преимущества способа:
· возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);
· сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
· возможность полной механизации и автоматизации процесса.
Способ применяется в серийном и массовом производстве.
Структура цементованного слоя
Структура цементованного слоя представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структура цементованного слоя
На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.
Термическая обработка после цементации
В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.
Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.
Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 2.
Рис. 2. Режимы термической обработки цементованных изделий
Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850oС (рис. 2 б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.
При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 2 а).
Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 2 в).
Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900oС для исправления структуры сердцевины.
Вторая закалка проводится с температуры 760…780oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.
Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.
Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.
Азотирование
Азотирование - химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.
Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение - в двадцатые годы.
При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.
При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.
Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.
Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.
В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:
· для повышения поверхностной твердости и износостойкости;
· для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).
В первом случае процесс проводят при температуре 500…560oС в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) - 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.
Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.
Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования - 650…700oС, продолжительность процесса - 10 часов. На поверхности образуется слой - фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( - фаза - твердый раствор на основе нитрида железа Fe3N, имеющий гексагональную решетку).
Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).
После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.
Цианирование и нитроцементация
Цианирование - химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.
Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:
Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.
Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.
Продолжительности процесса 0,5…2 часа.
Высокотемпературное цианирование - проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2 (C, N), а затем азотистый мартенсит.
По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.
Низкотемпературное цианирование - проводится при температуре 540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом
Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.
Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.
Нитроцементация - газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.
Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.
Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.
На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.
Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.
Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.
Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация - химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.
При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием - алитированием, кремнием - силицированием, бором - борированием.
Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.
При твердой диффузионной метализации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL2 образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.
Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).
Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.
Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.
Диффузионная металлизация - процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200oС) в течение длительного времени.
Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.
Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.
Литература
1. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров "Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в" и спец. "Технология машиностроения", "Металлорежущие станки и инструменты" и др. / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. - М.: Машиностроение, 2003. - 255с.: ил.
2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1990. - 446с., ил.
3. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М. Высшая школа, 2004. - 518с.: ил.
4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М. Машиностроение, 1990. - 528с.
5. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. - 2-е изд., перер., доп. - М. МИСИС, 1996. - 576с.
6. Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2000. - 637с.: ил.
7. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов ВУЗов, обуч. по напр. "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" / А.В. Шишкин и др.; под ред.В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: ОМЕГА-Л, 2007. - 751с.: ил. (Высшее техническое образование). - (Учебное пособие)
8. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 646с.: ил.
9. Тарасов В.Л. Технология конструкционных материалов: Учеб. для ВУЗов по спец. "Технология деревообработки" / Моск. гос. ун-т леса. - М.: Изд-во Моск. гос. ун-т леса, 1996. - 326с.: ил.
10. Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред.Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г. Г Дубенского. - Тула. Изд-во ТулГУ. - 2007.
11. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., испр. - М. Машиностроение, 2003. - 511с.: ил
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Характеристика основных элементарных процессов (диссоциация, абсорбция, диффузия) химико-термической обработки стали. Рассмотрение процессов цементации (твердая, газовая), азотирования, цианирования, диффузионной металлизации поверхностных слоев стали.
лабораторная работа [18,2 K], добавлен 15.04.2010Термическая обработка металлов и ее основные виды. Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении. Основы химико-термической обработки. Цементация, азотирование, нитроцементация и цианирование, борирование и силицирование стали.
реферат [160,5 K], добавлен 17.12.2010Химико-термическая обработка как процесс нагрева и выдержки металлических материалов при высоких температурах в химически активных средах. Характеристика видов химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация и жидкое цианирование.
реферат [62,1 K], добавлен 17.11.2012Применение поверхностной закалки с индукционным нагревом. Стадии химико-термической обработки стали. Технология цементации твердым карбюризатором, газовой цементации и азотирования. Термическая обработка после цементации и свойства цементованных деталей.
презентация [309,5 K], добавлен 29.09.2013Проектирование участка химико-термической обработки зубчатых колёс коробки передач с раздаточной коробкой. Выбор марки стали и разработка технологического процесса термообработки. Выбор печи для цементации и непосредственной закалки. Расчет оборудования.
курсовая работа [710,0 K], добавлен 08.06.2010Термическая обработка чугуна: понятие и виды. Микроструктура и свойства сталей после химико-термической обработки: цементация и азотирование. Зависимость твердости от содержания углерода по глубине цементованного слоя. Распределение азота по толщине слоя.
реферат [541,9 K], добавлен 26.06.2012Теория термической обработки. Превращения в стали при нагреве и охлаждении. Отжиг и нормализация. Дефекты термической обработки. Дефекты при отжиге и нормализации. Дефекты при закалке. Химико-термическая обработка и поверхностное упрочнение стали.
доклад [411,0 K], добавлен 06.12.2008Технология цементации изделий и режим их термической обработки, микроструктура цементованного слоя, его глубина. Назначение цементации и последующей термической обработки. Диссоциация. Абсорбция. Диффузия. Закалка. Предел выносливости изделий.
лабораторная работа [105,0 K], добавлен 05.01.2009Изменение механических, физических и химических свойств углеродистых конструкционных и инструментальных сталей в результате химико–термической обработки. Марки сталей, их назначение и свойства. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали.
контрольная работа [769,1 K], добавлен 06.04.2015Описание работы зубчатого колеса и предъявляемые к нему требования. Химический состав, механические свойства и температуры критических точек стали 18ХГТ. Технология химико-термической обработки зубчатого колеса из стали 18ХГТ, контроль качества.
контрольная работа [3,1 M], добавлен 29.11.2014Расшифровка марки стали 25, температуры критических точек, химический состав, механические свойства и назначение. Построение графика химико-термической обработки стальной детали с указанием температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.
курсовая работа [444,5 K], добавлен 20.05.2015Требования к конструкционным материалам. Экономические требования к материалу определяются. Марки углеродистой стали обыкновенного качества. Углеродистые качественные стали. Цветные металлы и сплавы. Виды термической и химико-термической обработки стали.
реферат [1,2 M], добавлен 17.01.2009Понятие, общая характеристика и виды термической обработки стали. Особенности основных этапов собственно-термической обработки стали, а именно отжига, нормализации, закалки, отпуска и старения. Отпускная хрупкость I, II рода и способы ее устранения.
лабораторная работа [38,9 K], добавлен 15.04.2010Методика производства стали в конвейерах, разновидности конвейеров и особенности их применения. Кристаллическое строение металлов и её влияние на свойства металлов. Порядок химико-термической обработки металлов. Материалы, применяющиеся в тепловых сетях.
контрольная работа [333,8 K], добавлен 18.01.2010Основные стадии и назначение процессов химико-термической обработки металлов, факторы, влияющие на скорость их протекания. Степень влияния температуры и состава среды на ХТО. Порядок определения зависимости между величиной зерна и скоростью диффузии.
реферат [62,9 K], добавлен 28.10.2009Теоретические основы термической обработки стали. Диффузионный и рекристаллизационный отжиг. Закалка как термообработка, при которой сталь приобретает неравновесную структуру и повышенаяеться твердость стали. Применение термической обработки на практике.
лабораторная работа [55,6 K], добавлен 05.03.2010Сущность и назначение термической обработки металлов, порядок и правила ее проведения, разновидности и отличительные признаки. Термомеханическая обработка как новый метод упрочнения металлов и сплавов. Цели химико-термической обработки металлов.
курсовая работа [24,8 K], добавлен 23.02.2010Увеличение срока эксплуатации инструмента в результате применения методов химико-термической обработки. Исследование влияния технологических параметров диффузионного упрочнения на микроструктуру, фазовый состав, свойства поверхностного слоя инструмента.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 09.10.2012Проектируемый участок предназначен для термической обработки шевинговального инструмента. Обзор термической обработки шевера, выполненного из стали Р18, предназначенного для шевингования незакалённых зубьев зубчатых колёс срезанием тонкой стружки.
курсовая работа [53,0 K], добавлен 24.12.2008Трубы (газо- и нефтепроводы) и основные требования к ним. Влияние параметров контролируемой прокатки на структуру и свойства низкоуглеродистой низколегированной стали 10Г2ФБ. Влияние исходной структуры стали после дополнительной термической обработки.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 02.07.2012
