Андрей Смирнов
Время чтения: ~13 мин.
Просмотров: 0

Применение химико-термической обработки стали

40.Азотирование стали.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

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 o С 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…700 o С, 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.

3 Ключевые достоинства нитроцементации и цианирования

Относительно невысокая температура процесса повышает эксплуатационный потенциал металлургических печей и оборудования, обеспечивает снижение уровня деформации, а также позволяет выполнять закалку стали сразу же после процедуры насыщения ее поверхности. Причем при закалке отпадает необходимость в остужении до малых температур обрабатываемого изделия.

Газовое цианирование гарантирует высокую устойчивость аустенита, что ведет к повышению степени прокаливаемости нитроцементованных зон металла. Такая высокая степень дает возможность осуществлять в масле закалку низколегированных заготовок.

Присутствие остаточного аустенита в стали увеличивает прочность детали на изгиб, ударную вязкость, пластичность металла. Кроме того, аустенит увеличивает усталостную прочность изделий за счет того, что он эффективно противодействует образованию усталостных нарушений.

Газовое цианирование, обладая всеми описанными достоинствами, стали активно применять для упрочнения валов и зубчатых колес, относимых к группе высоконагруженных элементов машин и механизмов. Они должны обладать высокой прочностью сердцевины (до 200 кГ/мм2) и при этом характеризоваться достаточной вязкостью. Цианирование обеспечивает именно такие результаты.

Отдельно добавим, что существует особое сорбционное цианирование – процесс, используемый для растворения в цианистых соединениях золота. Данная процедура производится в присутствии кислорода. Она позволяет добывать благородный металл из золотосодержащих руд с минимальными затруднениями.

Напоследок скажем, что одновременная загрузка азота и углерода (газовое цианирование или нитроцементация) имеет несколько недостатков. К ним обычно причисляют следующие явления:

  • ограничение глубины слоя показателем от 0,7 до 0,8 миллиметров;
  • потребность в постоянном корректировании азотирующей и науглероживающей возможности газовой атмосферы.

Химико-термический метод обработки металла

В тех случаях, когда необходимо изменить состав заранее определенного слоя металла, предпочтение отдают химико-термической обработке металлов и сплавов.

К этому виду обработки относят:

  • цементацию. Заключается в обогащении углеродом и позволяет получить деталь с комбинированными характеристиками – мягкая середина, твердая поверхность;
  • азотирование. После обогащения поверхности азотом повышается и коррозионная стойкость и усталостная прочность детали;
  • борирование. Верхний слой насыщают бором, что приводит к повышению износостойкости и стойкости в кислотных и щелочных средах;
  • алитирование. Заключается в насыщении алюминием и делает детали стойкими к агрессивным газовым средам;
  • хромирование. Включает насыщение хромом, что придает деталям хорошую твердость и стойкость к окалине, коррозии и износу.

По существу химико-термическая обработка металлов и сплавов представляет операции по нагреванию и выдерживанию заготовок из металлических (и неметаллических) материалов в разных активных средах химических элементов. Такая обработка используется для проведения добавления в нужные слои заготовок заранее определенных химических элементов, которые именуются насыщающими или компонентами насыщения.

После проведения этой обработки появляется диффузионный слой – слой, в котором произошли различные преобразования не только в химическом составе, но и в структуре и в характеристиках поверхностных слоев. При этом разный состав компонентов дает разные изменения такого диффузионного слоя.

Наличие разного количества элементов насыщения позволяет разделить все химико-термические обработки на:

  • однокомпонентные, в которых насыщение проводится одним компонентом (например углеродом, азотом, хромом);
  • многокомпонентные, где металл насыщают одновременно несколькими компонентами (так, при нитроцементации используют азот и углерод, а при боролитировании – бор и алюминий).

Следует заметить, что в промышленности чаще используют традиционные методы насыщения, а именно: азотирование, цементацию, цианирование.

Со всеми описанными методами более детально можно ознакомиться прямо на нашей выставке «Металлообработка»

Электроимпульсная обработка металловАнодно-механическая обработка металлов

Диффузионное насыщение — поверхностный слой — сталь

Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали металлом ( алюминием, хромом, кремнием, бором и др.) в целях изменения его состава и структуры называется диффузионной металлизацией. В зависимости от металла, используемого для диффузионной металлизации, различают алитирование, хромирование, силицирование, борирование и другие виды химико-термической обработки.

Азотированием называется прогресс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом.

Нитроцемеитацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 — 860 С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 — 860 С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом до оптимальной концентрации ( 0 8 — 1 %) при нагреве до температуры выше точки Лс3 ( 930 — 950 С), что приводит после закалки к высокой твердости поверхности ( 58 — 60 HCR3) при сохранении вязкой сердцевины. Цементируют низкоуглеродистые стали ( 0 1 — 0 18 % углерода) марок 10, 15, 20 и малоуглеродистые легированные стали. Цементируют детали после механической обработки с припуском на шлифование.

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 — 860 С в газоной среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Основное назначение нитроцементации — повышение твердости и износостойкости стальных детален.

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 — 860 С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Алитирование — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали или чугуна алюминием.

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 840 — 860 С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур ( 450 — 500 С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 — 225 СС.

Азотирование-процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом.

Это химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали одновременно или раздельно хромом и кремнием при температуре в интервале 900 — 1200 С в соответствующей среде. Хромосилицирование повышает эрозионную стойкость изделий в газовой среде при высоких температурах. Для насыщения используют смеси порошков хрома, кремния, окиси алюминия и хлористого аммония или смесь соответствующих ферросплавов.

Азотированием называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, детали арматуры турбин и целый ряд других деталей, работающих на износ при повышенных температурах в агрессивных средах. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур ( 450 — 500 С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 — 225 С.

Цементация — процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.

Химико-термическая обработка ( ХТО) сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами ( С, N, Si, В и др.) или металлами ( Cr, A1 и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Технология нитроцементации

Сущность и назначение нитроцеменетации стали заключается в особой методике процесса обработки тонкого внешнего слоя металла, который производится следующим образом. Заготовку для нитроцементации металла помещают в среду из смеси газов, в которую входит аммиак и углеродосодержащий газ. Далее металл нагревают и выдерживают в газовой смеси некоторое время. При этом происходит диффузия атомов углерода и азота в металл. Изменяются его физико-механические свойства. Попутно образуются твердые растворы соединений углерода, азота и железа.

Влияние температуры и длительности на глубину нитроцементации

Присутствие азота в атмосфере приводит к следующим особенностям нитроцеменетации, в отличие от цементации:

  • Дополнительное насыщение поверхности азотом;
  • Снижение температуры нагрева для возможности осуществления процесса;
  • Ускорение процесса диффузии углерода.

Варьируя параметры процесса, то есть состав газовой смеси, температуру, время обработки, можно изменять глубину воздействия. Исследования показали, что с повышением температуры увеличивается скорость диффузии углерода и азота в глубину металла. Глубина проникновения атомов газа в металл регулируется временем выдержки нагретого изделия в рабочей среде.

По сути, нитроцементация и цианирование – это виды нитроцементации, которые различаются технологией. Детали, поверхность которых упрочнена посредством цианирования или нитроцементации, будут иметь одинаковые технические характеристики. При цианировании обрабатываемые детали помещают в расплав цианистых солей натрия или кальция. Температура обработки остается примерно такая же, как и при газовой обработке. При цианировании можно легко получить легированный слой металла до 2-х мм, но при этом следует помнить, что при увеличении толщины слоя в структуре начинают появляться темные области, хорошо заметные под микроскопом, которые указывают на избыток азота на границах кристаллов. Данные области снижают механическую прочность, увеличивая хрупкость металла.

Для осуществления процесса диффузии азота и углерода из среды газа необходим нагрев металла до температуры 700 – 950 °С.  Наиболее часто работа ведется при температуре нитроцементации 850 – 870 °С. Данные значения температуры лишь немного превышают температуру закалки и поэтому позволяют упростить процесс закалки деталей, снижают вероятность деформации и сокращают общее время производственного цикла. Уменьшить развитие деформации может также ступенчатая закалка в горячем масле. Все сказанное говорит о том, что данный вид обработки наиболее применим к деталям сложной геометрической формы, у которых повышенные требования к форме поверхности и совершенно недопустимо образование закалочных трещин.

Нитроцементация

Основная область применения нитроцементации стали – машиностроение и автомобильная промышленность. Более 90% автомобильных деталей – шестерен редукторов, валов, упрочняются при помощи нитроцианирования. Данный процесс упрочнения стали является основным в технологии производства зубчатых колес любого назначения, а также некоторых категорий инструмента из быстрорежущей стали.

Процесс цементации

Целью цементация стали является повышение эксплуатационных характеристик детали. Они должны быть твердыми, износостойкими снаружи, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.

Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают с использованием печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При такой температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решетки стали.

Цементация деталей достаточно продолжительный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Не трудно подсчитать, что требуемый для длительной эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.

Влияние на глубину слоя продолжительности цементации

На графике наглядно показано на сколько зависит продолжительность по времени от глубины наугрероживаемого слоя и температуры нагрева.

Технологически цементация сталей производится в различных средах, которые принято называть карбюризаторами. Среди них выделяют:

  • твердую среду;
  • жидкую среду;
  • газовую среду.

Поверхностный слой, получаемый цементацией

Стали под цементацию обычно берутся легированные или же с низким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и подобные им.

Структура и свойства нитроцементированного слоя

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементированного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита, структура сердцевины из троостосорбита, бейнита или малоуглеродистого мартенсита. В нитроцементированном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость нешлифуемых автомобильных шестерён, что обеспечивает их бесшумную работу.

В стали 25ХГТ количество остаточного аустенита составляет 25—30 %, а в сталях 25ХГМ и 25ХГМТ достигает 45—50 %. В тех случаях, когда изделие после нитроцементации проходит шлифование, большое количество остаточного аустенита нежелательно, так как он не только снижает механические свойства, но и способствует образованию трещин при шлифовании. В американской практике считается допустимым содержание в нитроцементируемом слое остаточного аустенита в количестве, при котором твёрдость после закалки не ниже 60 HRC. Чаще твёрдость слоя составляет 58—64 HRC.

Цианирование — сталь

Жидкое цианирование — наиболее распространенный вид цианирования стали — проводят в расплавленных цианистых солях.

Как и для чего производится азотирование и цианирование стали.

Применяется в гидрометаллургии благородных металлов, для цианирования сталей, в производстве гексацианоферроата натрия, для протравливания семян, для дезинсекции и дератизации.

Применяется в гидрометаллургии благородных металлов, для цианирования сталей, в производстве железосинеродистого натрия, для протравки семян, для дезинсекции и дератизации.

Применяется в гидрометаллургии благородных металлов; для цианирования сталей; в производстве гексацианоферреата натрия; для протравливания еемян-дезинсекции и дератизации.

Для ведения процесса необходимо непрерывное окисление ванны, поэтому цианирование стали в герметически закрытом тигле без доступа воздуха и других окислителей протекает очень медленно.

Зависимость между концентрацией углерода и азота в цианированной ленте стали марки У8 ( а и в поверхностных слоях образца циа-иированного армко-железа ( б от температуры газового цианирования. Ленту стали марки У8 цианировали в течение 1, часа 15 мин. при расходе NH 3 л / мин и бензола 0 05 смЧмин ( В. И. Про-свир ин и Ю. Г. Грибоедов. Образцы армко-железа цианировали в смеси 50 / о СО и 50 % NHs в течение 10 час. ( Брамлей и Турнер.

При повышении температуры в ванне любого из приведенных составов обспечивается, вследствие ускорения диффузии, более глу-боко е цианирование стали.

Ионизация и возбуждение молекул газа при коронном разряде происходят лишь в небольшой области вблизи коронирующего электрода, в остальной части разрядного промежутка существует несамостоятельный разряд. При использовании коронного разряда для ускорения процесса цианирования стали ионизировалась входящая в печь газовая смесь, а насыщаемая поверхность не подвергалась ионной бомбардировке в то время как при обработке в тлеющем разряде поверхность детали даже разогревается в результате бомбардировки ионами насыщающей среды.

Цианированием называется насыщение поверхности одновременно углеродом и азотом. В табл. 39 приведена общая характеристика различных видов цианирования стали.

Цнан сплав ( черный цианид) NaCN — продукт сплавления цианида кальция с хлористым натрием. Ядовит, легко разлагается с выделением синильной кислоты и применяется для цианирования стали. Поставляется продукт марок: А — пластинчатый для промышленных целей ( 1-го и 2-го сортов с содержанием основного вещества 47 и 42 %) и В — для сельского хозяйства и в качестве дезинфекционного сродства.

Ядовит, легко разлагается с выделением синильной кислоты и применяется для цианирования стали. Поставляется продукт марок: А — пластинчатый для промышленных целей ( 1-го и 2-го сортов с содержанием основного вещества 47 и 42 %) и Б — для сельского хозяйства и в качестве дезинфекционного средстве.

Углекислый барий в виде ласты упаковывается в деревянные бочки 50 — 150 л, а порошковый — в бумажные мешки. В машиностроении применяется при изготовлении карбюризаторов для цементации стали и в составе ванн для цианирования стали, а также для изготовления специальных сортов стекла и эмалей.

Выделяется в воздух при производстве бензола, толуола и ксилола, на коксохимических заводах, при гидрогенизации угля, при гальванопластических процессах, при горении целлулоида и нагревании полимерных композиций ( найлона, полиакрилони-трила, полиуретана, карбамидных и меламиновых пластмасс), при сгорании шерсти, при неполном сгорании или сухой перегонке азотистых органических веществ и при получении из них цианидов; при цианировании стали; при изготовлении гексаци-аноферрата ( Ш) калия ( красной кровяной соли) и его применении для крашения и протравливания тканей ( сточные воды этих производств также содержат HCN); в производстве тио-цианатов; при изготовлении щавелевой кислоты; при действии на белки концентрированной азотной и серной кислотой; при закаливании и жидкой цементации металлов; в металлурги.

Ящик с инструментом, упакованный в смесь, нагревается до 540 — 560 и выдерживается при этой температуре от 3 до 6 ч, в зависимости от размеров ящика и инструмента. Глубина цианированного слоя составляет 0 03 — 0 04 мм. Цианирование стали в твердых цианизаторах применяется главным образом при восстановительном ремонте деталей: кулачков, втулок и др. Операция эта производится обычно кустарным способом.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации