Цементация в твердом карбюризаторе

Цементацией называют процесс поверхностного насыщения стали углеродом. Цементации подвергают изделия из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода до 0,20%.

По способу производства различают цементацию в твердом карбюризаторе и газовую цементацию.

Цементация по этому способу осуществляется путем длительного нагрева при температуре выше А_Сa деталей, упакованных в ящиках (рис. 75) вместе с карбюризатором.

В качестве карбюризатора чаще всего применяют смесь древесного угля с углекислыми солями (Na₂C0₃, ВаС0₃ и др.).

Для нагрева цементационных ящиков можно использовать камерную печь или печь с выдвижным подом.

При нагреве происходит химическое взаимодействие между кислородом воздуха, находящимся в ящике, древесным углем и углекислыми солями. В результате этого взаимодействия образуется активный (атомарный) углерод, который проникает в поверхностный слой изделия.

Для углеродистых и легированных сталей цементацию проводят при температуре 900—930°. Выдержка при этой температуре в течение 7—9 час. позволяет получить цементованный слой глубиной в 1,5 мм.

Длительная выдержка при высокой температуре способствует получению крупнозернистой структуры и снижению твердости поверхностного слоя.

После цементации с целью исправления структуры и повышения твердости поверхностного слоя детали подвергают термической обработке: нормализации или закалке при температуре 900—920° для размельчения зерна сердцевины, повторной закалке при температуре 770—790° для повышения твердости поверхностного слоя и низкому отпуску при 150—170°.

Цементауия в газовой и жидкой среде

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.

Цементация в жидкой среде осуществляется путем погружения деталей в расплавленные соли, содержащие карбид кремния или поваренную соль. Процесс ведется при температуре 820-850° в течение 0,5-2 час.

Жидкой цементации подвергаются некоторые мелкие детали.

Преимуществом цементации в соляных ваннах является равномерность нагрева и возможность непосредственной закалки из цементационной ванны.

Процесс проходит быстрее, чем при цементации в твердой среде.

Критические точки сталей. Классификация и свойства углеродистых сталей.

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С называют техническим железом, различают однофазное (сплав I) и двухфазное (сплав II) техническое железо (рис. 1).

Рис. 1. Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для сплавов, не испытывающих эвтектоидное превращение.

При охлаждении сплава I от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит.

При охлаждении сплава II после образования феррита (точки 3-4), начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ на диаграммме). Структура сплава состоит из феррита и цементита в виде прослоек по границам ферритных зерен.

Рассмотренные сплавы широкого применения в промышленности не имеют.

Широкое промышленное применение имеют стали.

Рассмотрим превращения при охлаждении аустенита, содержание углерода в котором находится в пределах 0,02-2,14% (рис. 2)

. Рис. 2 Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для сплавов, испытывающих эвтектоидное превращение.

Сплав II с содержанием углерода 0,8% называется эвтектоидной сталью. В ней по линии PSK происходит эвтектоидное превращение, т.е. из аустенита выделяются феррит и цементит. Смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре ≈ 727 0С.

Сплав I, с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. В интервале температур точек 1-2 имеем частичное превращение аустенита в феррит. При температуре точки 2 (на линии PSK) происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Конечная структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита.

Сплав III с содержанием углерода более 0,8% называют заэвтектоидной сталью. В интервале температур точек 3-4 имеем выделение из аустенита вторичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы.

При температуре точки 4, на линии PSK происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. конечная структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и аустенита. Сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и имеющие структуру аустенита, цементита, ледебурита называются белыми чугунами. Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 3.). Рис. 3. Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для высокоуглеродистых сплавов (чугунов).

Сплав II – с содержанием углерода 4,3% кристаллизуется по эвтектоидной реакции с одновременным выделением двух фаз: аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь называется ледебуритом. При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии PSK (7270С) аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит. Конечная структура состоит из ледебурита (перлит+цементит).

Сплав I – содержание углерода 2,14-4,3%. Кристаллизация начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. Этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит). При дальнейшем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 7270С (линия PSK) превращается в перлит. Конечная структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, цементита и ледебурита.

Сплав III – содержания углерода 4,3-6,67%. Кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора цементита первичного. Этот процесс идет в интервале температур точек 5-6. Кристаллизация закачивается при температуре точки 6 (линия ECF) эвтектическим превращением с образованием перлита. При дальнейшем охлаждении превращения в твердом состоянии такие же, как в сплаве I. Конечная структура заэвтектического чугуна состоит из цементита и ледебурита. В машиностроительном производстве железоуглеродистые сплавы подразделяются: на стали (содержание углерода от 0,02 до 2,14 %) и чугуны (содержание углерода от 2,14 до 6,67 %). Стали подразделяются на доэвтектоидные (содержание углерода от 0,02 до 0,8 %, структура Ф+П), эвтектоидные (содержание углерода 0,8 %, структура П), заэвтектоидные (содержание углерода от 0,8 до 2,14%, структура П+ЦII). Чугуны подразделяются на доэвтектические (содержание углерода от 2,14 до 4,3 %, структура П+Л+ЦII), эвтектические (содержание углерода 4,3 %, структура Л), заэвтектические (содержание углерода от 4,3 до 6,67 %, структура Л+ЦI). В практике термической обработки сталей используется линии диаграммы РSК, SE, GS. Французский ученый Османд для удобства предложил обозначать их следующим образом: линию РSК – АI, линию GS – А3, линию SE – Асм. Так как при нагреве и охлаждении в процессе термической обработки положение этих линий не совпадает, то к предложенным обозначениям добавляются буквы: - с – при нагреве (Ас1, Ас3, Ассм); - r – при охлаждении (Аr1, Аr3,Аrсм). Для каждой стали эти значения можно найти в марочниках стали.

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…560^oС 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 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…700^oС, 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.

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.

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…950^oС, 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…570^oС, 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.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается 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…950^oС, 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…600^oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

ПОВЕРХОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ

Поверхностная закалк а состоит в нагреве поверхностного слоя стальных деталей до аустенитного состояния и быстрого охлажде­ния с целью получения высокой твердости и прочности в поверхно­стном слое в сочетании с вязкой сердцевиной. Существуют различ­ные способы нагрева поверхности под закалку — в расплавленных металлах или солях, пламенем газовой горелки, лазерным излучени­ем, током высокой частоты. Последний способ получил наибольшее распространение в промышленности.

При нагреве токами высокой частоты закаливаемую деталь по­мещают внутри индуктора, представляющего собой медные трубки с циркулирующей внутри для охлаждения водой. Форма индуктора соответствует внешней форме детали. Через индуктор пропускают электрический ток (частотой 500 Гц…10 МГц). При этом возникает электромагнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, нагрева­ющие поверхность детали. Глубина нагретого слоя уменьшается с уве­личением частоты тока и увеличивается с возрастанием продолжи­тельности нагрева. Регулируя частоту и продолжительность, можно получить необходимую глубину закаленного слоя, находящуюся в пределах 1…10 мм.

Преимуществами закалки токами высокой частоты являются регулируемая глубина закаленного слоя, высокая производительность (нагрев одной детали длится 10 с), возможность автоматизации, от­сутствие окалинообразования. Недостаток — высокая стоимость индуктора, который является индивидуальным для каждой детали. Поэтому этот вид закалки применим, в основном, к крупносерийно­му и массовому производству.

Химико-термическая обработка — это процесс изменения хи­мического состава, структуры и свойств поверхности стальных дета­лей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износо­стойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины. К видам химико-термической обработки относятся цементация, азо­тирование, цианирование и др.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880…950 °С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цемен­тации — газовую и твердую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН₄ и оксид углеродаСО. Твердая цементация проводится в стальных ящиках, куда укладываются детали впере­мешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок дре­весного угля с добавкой солей Na₂СО₃ или ВаСО₃.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности ста­ли азотом. При этом повышаются не только твердость и износостой­кость, но и коррозионная стойкость. Проводится азотирование при температуре 500…600 °С в среде аммиака NН₃ в течение длительного времени (до 60 ч.) Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодей­ствует с металлом.

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отне­сти отсутствие необходимости в дополнительной термообработке, более высокую твердость и износостойкость, высокую коррозионную стой­кость поверхности. Недостатками являются низкая скорость процесса и необходимость применения дорогих легированных сталей.

Цианирование (нитроцементация) — это процесс одновременно­го насыщения поверхности стали угле родом и азотом. Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃. Разли­чают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Поверхностное упрочнение пластическим деформированием ос­новано на способности стали к наклепу при пластической деформации (см. раздел 2.1). Наиболее распространенными способами такого упрочнения поверхности является дробеструйная обработка и обра­ботка поверхности роликами или шариками.

При дробеструйной обработке на поверхность детали из специ­альных дробеметов направляется поток стальной или чугунной дро­би малого диаметра (0,5…1,5 мм). Удары концентрируются на весьма малых поверхностях, поэтому возникают очень большие местные давления. В результате повышается твердость и износостойкость обработанной поверхности.

Диффузионная металлизация

Диффузионной металлизацией называется химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается различными химическими элементами – металлами.

На практике наиболее часто применяют насыщение поверхностного слоя алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование) и др. Возможно и комбинированное насыщение двумя или несколькими элементами.

В результате такой обработки повышается коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость рабочих поверхностей деталей. Эти свойства поверхности особенно необходимы для многих деталей теплоэнергетического машиностроения.

Металлы образуют с железом твёрдые растворы замещения, поэтому диффузия их осуществляется значительно медленнее, чем диффузия углерода или азота, а процессы диффузионной металлизации проводят при более высоких температурах – от 900 до 1150оС.

Для проведения процесса применяют твёрдые, жидкие и газообразные среды. В качестве твёрдой активной среды применяют различные ферросплавы (ферроалюминий, феррохром, ферросилиций) с добавкой небольшого количества хлористого аммония NH4CI. В процессе нагрева ферросплав реагирует с хлористым аммонием с образованием термически нестойких хлоридов металлов AlCI3, CrCI2, SiCI4 и др. На стальной поверхности эти соединения диссоциируют с выделением химически активного элемента, диффундирующего в глубь детали.

Алитированию, хромированию и силицированию подвергают сплавы на железной основе. Образующиеся диффузионные покрытия способны защищать детали при высоких температурах, так как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные оксидные плёнки из Аl2O3, Cr2O3 и SiO2. Эти плёнки препятствуют диффузии кислорода воздуха и тем самым предохраняют в дальнейшем основной металл от окисления.

В практике поверхностного упрочнения сталей широко используются процессы борирования. Упрочняющий эффект в этом случае достигается за счёт того, что в поверхностных слоях стали образуются бориды железа (Fe2B, FeB) и легирующих элементов, которые имеют высокую твёрдость. В качестве активной внешней среды используют буру, порошок аморфного бора, оксид бора, трёххлористый бор (BCI3). Износостойкость борированных сталей в условиях трения скольжения выше в 4…6 раз износостойкости цементованных и в 1,5…3,0 раза выше нитроцементованных.

В зависимости от диффундирующих элементов, состава внешней активной среды и температуры процесса длительность диффузионной металлизации может находится в пределах от 3 до 7 часов.

Из других процессов химико-термической обработки следует отметить сульфидирование – насыщение стальной поверхности серой. В результате этого образуется тонкая плёнка сульфидов железа (FeS, FeS2). Применяется также и сульфоцианирование – одновременное поверхностное насыщение сталей углеродом, азотом и серой. Слой, содержащий соединения серы, ускоряет приработку трущихся поверхностей, улучшает адсорбцию масла и предотвращает схватывание и задиры. Применяют эти методы упрочнения для деталей подшипников скольжения, работающих в условиях граничной смазки при сравнительно невысоких удельных нагрузках.

Физико-химические основы термомеханической обработки

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: