Тема 8.2 Химико-термическая обработка

Тема 8.2
Химико-термическая обработка
ХТО — это процесс поверхностного насыщения стали
каким-либо элементом (углеродом, азотом или тем и
другим одновременно, а также хромом, кремнием, бором и
др. путем диффузии элемента из внешней среды при
относительно высокой температуре).
ХТО обычно преследует две основные цели:
1)получение
более
твердой,
износоустойчивой
поверхности;
2)получение поверхности, которая была бы устойчива
против коррозии.
Наиболее распространенные виды химико-термической
обработки стали — цементация, азотирование и
цианирование
Наиболее
термической
распространенные
обработки
азотирование и цианирование.
стали
виды
—
химико-
цементация,
Некоторые методы упрочения поверхности металлических изделий
приведены на рис.
I— индукционная закалка, II — цианирование, III — нитроцементация,
IV — газовая цементация, V — цементация, VI — цементация в твердом
карбюризаторе, VII — азотирование, VIII —диффузное хромирование
Цементация
—
процесс
заключающийся
в
диффузионном насыщении поверхностного слоя стали
углеродом при нагреве в соответствующей среде.
Цель цементации — обогащение поверхностного
слоя деталей машин углеродом до концентрации 0,8—
1,1% и получение после закалки высокой твердости при
сохранении пластичной сердцевины.
Цементации подвергаются детали, изготовленные
из низкоуглеродистых сталей (0,1—0,2% С) марок 15, 20
или легированных низкоуглеродистых сталей марок 20Г,
20Х, 20ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР
и др.
Цементация
может
проводиться
в
твердых,
газообразных и жидких углеродсодержащих средах,
которые называются карбюризаторами.
Цементация в твердом карбюризаторе. Наиболее
старым способом является цементация в твердой среде
(в
твердом
карбюризаторе).
При
этом
способе
цементации карбюризатором служит смесь древесного
угля и углекислых солей (углекислого бария — ВаСО3,
углекислого натрия (соды) — Na2CО3 и др.). Углекислые
соли добавляются к древесному углю в количестве 10—
40%. В практике цементации применяют различные
составы карбюризаторов.
Для цементации в твердом карбюризаторе детали
помещают в цементационный (стальной) ящик и
засыпают карбюризатором. Упаковка деталей в ящик с
карбюризатором должна производиться таким образом,
чтобы детали со всех сторон были окружены
карбюризатором и не соприкасались друг с другом, со
стенками и дном ящика. Ящик закрывают крышкой и
замазывают огнеупорной глиной. Через отверстия в
крышке в ящик вставляют стержни из такой же
низкоуглеродистой стали, из которой изготовлены
цементуемые
детали.
Эти
стержни
называются
«свидетелями» и служат они для контроля цементации.
Ящик с упакованными в нем в карбюризаторе деталями
помещают в печь и нагревают до 900—950° С.
При нагреве протекают следующие процессы. Углерод
угля соединяется с кислородом воздуха, находящимся в
ящике, и образуется окись углерода (СО). Этот процесс
можно
представить
следующей
реакцией:
2С + O2 = 2СО
Окись углерода разлагается на углекислый газ (С02) и
углерод, образующийся в виде атомов (атомарный
углерод):
2СО-С02 + С
Атомарный углерод проникает (диффундирует) в
поверхностный слой детали. Так как детали нагреты до
900—950° С, т. е. выше верхней критической точки Ас3у и
в стали при такой температуре образуется 7-железо,
углерод, проникая в сталь, растворяется в v-железе с
образованием
аустенита:
3Fe... + C = Fe3C.
Азотирование
—
это
технологический
процесс
химико-термической обработки, при которой поверхность
различных металлов или сплавов насыщают азотом в
специальной азотирующей среде. Поверхностный слой
изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе
растворённые
нитриды
и
приобретает
повышенную
коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость.
По
микротвёрдости
азотирование
уступает
только
борированию, в то же время превосходя цементацию и
нитроцементацию (незначительно).
Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию
•
Стали углеродистые и легированные, конструкционные
и инструментальные.
•
Высокохромистые чугуны, высокохромистые
износоустойчивые сплавы, хром.
•
Титан и титановые сплавы.
•
Бериллий.
•
Вольфрам.
•
Ниобиевые сплавы.
•
Порошковые материалы.
Назначение азотирования
•Упрочнение поверхности
•Защита от коррозии
•Повышение усталостной прочности
В
зависимости
технологические
от
назначения
процессы
существенно отличаться.
используемые
азотирования
могут
Основные процессы азотирования
Газовое азотирование
Насыщение поверхности металла производится при температурах
от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и
тугоплавкие металлы) градусов Цельсия. Средой для насыщения
является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и
механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей
применяют:
• двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения;
• разбавление диссоциированного аммиака:
• воздухом,
• реже водородом.
Контрольными параметрами процесса являются:
• степень диссоциации аммиака
• расход аммиака
• температура
• расходы
дополнительных
технологических
газов
(если
применяются).
Каталитическое газовое азотирование
Это последняя модификация
технологии газового
азотирования. Средой для насыщения является аммиак,
диссоциированный при температуре 400—600 градусов
Цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи.
Для управления структурой и механическими свойствами
слоя при каталитическом газовом азотировании сталей
применяют изменение.
Ионно-плазменное азотирование
Технология насыщения металлических изделий в
азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором
возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом
служат стенки камеры нагрева, а катодом —
обрабатываемые изделия. Для управления структурой
слоя и механическими свойствами слоя применяют (в
разные стадии процесса):
• изменение плотности тока
• изменение расхода азота
• изменение степени разряжения
• добавки к азоту особочистых технологических газов:
 водорода
 аргона
 метана
 кислорода.
Оборудование для азотирования
Для
проведения
газового
азотирования
используются
преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для
подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.
Для проведения каталитического газового азотирования
используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные
печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными
зондами для определения насыщающей способности атмосферы.
Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования
применяются специализированные установки, в которых происходит
нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки и, собственно,
насыщение.
Для азотирования из растворов электролитов применяются
установки для электрохимико-термической обработки.