Embedded Files
Особливості хіміко-термічної обробки металів і сплавів
Хіміко-термічною називають обробку, яка полягає в поєднанні термічної і хімічної дії з метою зміни складу, структури і властивостей поверхневого шару деталі в необхідному напрямку. При цьому відбувається поверхневе насичення металевого матеріалу відповідними елементами С, N, А1, Сr, Sі, Ті та іншими шляхами його дифузії в атомарному стані із зовнішнього середовища (твердого, газового, рідкого та парового) в метал при високій температурі. Залежно від елементів, що дифундують у поверхневий шар сталі, розрізняють такі види її хіміко-термічної обробки: цементацію, азотування, ціанування та дифузійну металізацію (алітування, силіціювання тощо) (рис. 3.66).
Рис. 3.66. Класифікація видів хіміко-термічної обробки сталі
Більшість деталей машин і механізмів працюють в умовах зношування, дії агресивних середовищ, кавітації, циклічних навантажень, при низьких або високих температурах, за яких максимальні напруження виникають у поверхневих шарах металу. У машинобудуванні при виготовленні особливо відповідальних сталевих деталей найчастіше використовують цементацію, азотування та ціанування. Поширеність цих досить економічних методів обробки пояснюється вимогами, які висуваються до деталей стосовно їх міцності й довговічності. Особливо це стосується деталей складної форми, в яких за умовами роботи має бути міцною та твердою поверхня. Зміцнити зовнішній шар такої деталі поверхневим гартуванням часто буває неможливим, тому й застосовують хіміко-термічну обробку сталі. Дифузійне насичення поверхні сталевої деталі неметалами, такими як вуглець і азот, часто використовують через те, що ці елементи добре розчиняються в залізі, утворюють твердий розчин проникнення, можуть швидко та глибоко проникати в товщу деталі.
Основними параметрами хіміко-термічної обробки сталі є температура і тривалість насичення. Під час хіміко-термічної обробки металів відбуваються такі взаємопов'язані стадії (процеси):
утворення активних атомів у результаті розпаду молекул у середовищі — дисоціація;
адсорбція — поглинання утворених активних атомів поверхнею металу, що насичується;
дифузія — переміщення адсорбованих атомів у внутрішні об'єми.
Розвиток процесу дифузії зумовлює утворення дифузійного шару, який відрізняється від вихідного металу хімічним складом, структурою і властивостями (рис. 3.67).
Рис. 3.67. Схематичне зображення дифузійного шару:
уo — загальна товщина дифузійного шару; уе — ефективна товщина дифузійного шару; уп — товщина перехідної зони; ВО — внутрішні об'єми металу; Сп — значення базового параметра на поверхні; Се — граничне значення базового параметра, встановлене для ефективної товщини; Св — значення базового параметра для внутрішніх об'ємів металу
Об'єм матеріалу деталі під дифузійним шаром, у якому не змінюється хімічний склад, називається внутрішнім. Найменша відстань від поверхні насичення до внутрішнього об'єму складає загальну товщину дифузійного шару.
Під час контролю хіміко-термічної обробки часто використовують ефективну товщину дифузійного шару, під якою розуміють найменшу віддаль від поверхні насичення до ділянки, яка характеризується встановленим граничним номінальним значенням базового параметра. Під базовим параметром дифузійного шару розуміють параметр матеріалу, який служить у цьому випробуванні критерієм зміни якості залежно від відстані до поверхні насичення. За базовий параметр приймають або концентрацію дифузійного елемента, або властивості, або структурну ознаку. Частину дифузійного шару, яка наближена до внутрішніх об'ємів, має довжину, що визначається різницею загальної і ефективної товщини, називають перехідною зоною дифузійного шару (рис. 3.67).
Дифузія є важливим етапом хіміко-термічної обробки. У процесі утворення твердих розчинів заміщення дифузія відбувається за вакансійним механізмом, а при утворенні твердих розчинів проникнення — шляхом дифузії між вузлами кристалічної ґратки.
Цементація (дифузійне насичення сталі вуглецем)
Цементацією називають хіміко-термічну обробку, яка полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару сталі вуглецем при нагріванні у відповідному середовищі — карбюризаторі, з метою здобуття високої твердості поверхні та в'язкої серцевини виробів. Цементація застосовується переважно для підвищення зносостійкості деталей машин, які працюють за умов тертя, наприклад зубчастих коліс, кулачків, розподільних валиків, поршневих пальців, штовхачів клапанів, шийок колінчастих валів, черв'яків, робочих поверхонь вимірювальних інструментів тощо. Цементують також деталі, які під час роботи витримують високий опір динамічним навантаженням й одночасно працюють на стирання й удар (рис. 3.68).
Рис. 3.68. Деталі, що пройшли цементацію:
а — шпиндель верстата; б — шестерні; в — поршневі кільця; г — розподільні вали; д — колінчастий вал
Для цементації використовують низьковуглецеві сталі 0,1—0,18 % С, коли ж потрібно забезпечити міцнішу серцевину та стійку до спрацьовування поверхню використовують леговані сталі з умістом вуглецю 0,12—0,32 % марок 12ХН3А, 15Х, 18ХГТ, 20ХНМА, 15ХГН2ТА та ін. Цементовані сталі повинні мати високі прогартовуваність і загартовуваність поверхневого шару для забезпечення потрібної міцності та твердості, а загартовуваність серцевини має регулюватись у досить вузьких межах (30...43 НRС). Для здобуття високої в'язкості сталі мають бути спадково дрібнозернистими. Високу твердість їхнього поверхневого шару при збереженні м'якої та в'язкої серцевини забезпечує термообробка деталей після цементації (гартування і низький відпуск). До того ж вона зумовлює появу на поверхні деталей напружень стиску. У комплексі це створює високу опірність деталей в умовах тертя, при значних питомих навантаженнях, підвищує витривалість та довговічність деталей.
Твердість у поверхневому шарі сталі після цементації та гартування сягає 61...63 НRС, що пояснюється утворенням мартенситу.
Оскільки загартовуваність сталі залежить від вмісту вуглецю, процес цементації характеризується ступенем цементації — середнім вмістом вуглецю в поверхневому шарі деталі. При концентрації понад 1,2—1,3 % С у поверхневому шарі утворюється груба цементитна сітка, що негативно впливає на міцність дифузійного шару.
Залежно від тривалості витримки й інших параметрів режиму обробки деталей при цементації глибина насичення може сягати 0,5—2 мм, а вміст вуглецю в поверхневому шарі — 1,2 %.
За глибину цементації умовно беруть відстань від поверхні деталі до половини зони, у структурі якої спостерігається однакова кількість фериту й перліту. На глибину цементації сталі впливає її хімічний склад (рис. 3.69). Карбідотвірні елементи, такі як манган, хром, вольфрам, майже не впливають на глибину цементації сталі, а наявність нікелю, кремнію в ній приводить до зменшення глибини дифузійного шару.
Рис. 3.69. Вплив легуючих елементів на глибину цементації
Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю за товщиною, яка зменшується від поверхні до внутрішніх об'ємів деталі (рис. 3.70, а, в). У зв'язку з цим у структурі цементованого шару від поверхні до внутрішніх об'ємів виділяють три зони (рис. 3.70, б):
заевтектоїдну, що складається з перліту і вторинного цементиту;
евтектоїдну, що являє собою пластинчастий перліт;
доевтектоїдну, до складу якої входять перліт і ферит, кількість фериту в цій зоні неперервно зростає у напрямку до серцевини.
Рис. 3.70. Зміна концентрації вуглецю за глибиною цементованого шару (а), схема мікроструктури незагартованого навуглецьованого шару (б), фото мікроструктури навуглецьованого шару(в):
1 — заевтектоїдна структура (цементит надлишковий + перліт); 2 — евтектоїдна структура (перліт); 3 — доевтектоїдна структура (ферит надлишковий + перліт)
Ступінь цементації та глибина цементованого шару залежать від температури цементації, тривалості навуглецьовування й агрегатного стану (якості) карбюризатора.
Технологічний процес виготовлення цементованих деталей складається з таких операцій:
обробка різанням за розміром з припуском на шліфування;
ізоляція місць, які не повинні цементуватися;
підготовка потрібного обладнання та карбюризатора;
вибір режиму цементації;
завантаження в підготовлене обладнання і нагрівання до заданої температури цементації;
витримка при заданій температурі режиму обробки;
контроль режиму й умов обробки;
термообробка після цементації за вибраним режимом;
кінцева механічна обробка (шліфування та ін.).
Процес проводять за температур вище точки АС3, що становлять 910...950 °С, коли є стійким аустеніт, який розчиняє вуглець у великій кількості. Оскільки процес цементації є дифузійним, підвищення температури впливає на глибину цементованого шару (рис. 3.71). Тривалість витримки визначається глибиною дифузійного шару.
Рис. 3.71. Вплив температури цементації та тривалості витримки сталі на глибину дифузійного шару
Деталі надходять на цементацію після механічної обробки з припуском на шліфування 50—100 мкм. У багатьох випадках цементують тільки частину деталі: тоді ділянки, що не підлягають зміцненню, захищають тонким шаром малопористої міді товщиною 0,02—0,05 мм, яку наносять електролітичним способом, або ізолюють спеціальними обмазками.
Основними реакціями, що забезпечують навуглецьовування при цементації, є:
С + О → 2СО;
(3.8)
2СО → СО2 + Сат;
(3.9)
Сат → Feγ(С).
Найчастіше цементацію використовують у твердому і газовому карбюризаторі.
Для цементації сталі у твердому карбюризаторі використовують суміші деревного вугілля у вигляді зерен діаметром 3—7 мм3 з вуглекислими солями кальцію, барію або натрію й іншими домішками (5—10 %).
Для здійснення цементації сталі у твердому карбюризаторі застосовують спеціальні контейнери, які за формою наближаються до форми деталей, які виготовляють із жаростійкого хромистого чавуну, а іноді — із жаростійкої листової сталі завтовшки.
Технологічний процес твердої цементації сталевих деталей складається з таких стадій:
очищення деталей від іржі, масла та забруднень;
сушіння підготовлених до цементації деталей;
приготування карбюризатора. Під час цементації кожної наступної партії сталевих деталей карбюризатор готують з 50—80 % відпрацьованого, заздалегідь просіяного карбюризатора і 50—20 % свіжого. Суміш свіжого та відпрацьованого карбюризаторів потрібно ретельно перемішати;
завантаження деталей у контейнер. Засипання шару карбюризатора завтовшки 2—3 см на дно контейнера. Пошарове укладання в ящик деталей (і зразків) з проміжними шарами карбюризатора. Заповнення ящика так, щоб останній шар складався з карбюризатора;
встановлення контрольних зразків-свідків, матеріал яких має відповідати сталі деталей;
укладання кришки зверху ящика і герметизація її затвором із піску або обмазками;
просушка та завантаження підготовлених ящиків у піч;
повільне нагрівання ящиків до робочої температури та витримки, що залежить від глибини дифузійного шару, розмірів контейнера та температури процесу (табл. 3.13);
контрольна перевірка у процесі витримки глибини цементованого шару за зразком-свідком, який виймають із ящика за 1 год до завершення процесу та коригування часу витримки;
при досягненні потрібної глибини цементованого шару контейнер вивантажують із печі;
наступне охолодження здійснюють згідно з вимогами технологічного процесу та проводять кінцевий контроль. Металографічний аналіз надає можливість з'ясувати концентрацію вуглецю та наявність дефектів.
Цементація сталі в твердому карбюризаторі має певні недоліки: неможливість під час обробки керувати процесом насичення поверхні вуглецем, великі втрати теплоти, низька продуктивність праці, неможливість безпосереднього гартування сталі після цементації тощо. Процес супроводжується значним утворенням вугільного пилу, кіптяви та бруду. Проте завдяки універсальності і простоті він усе ж застосовується переважно на заводах дрібносерійного й одиничного виробництва, а також для обробки масивних деталей.
З метою підвищення продуктивності цементації та коефіцієнта корисної дії печі використовують карбюризатори у вигляді паст, що складаються з речовин, які містять вуглець (голландська (ацетиленова) сажа або деревинновугільний пил), прискорювачів процесу (вуглекислий натрій, вуглекислий барій, залізоціаністий калій, щавлевий натрій) та зв'язувальні речовини (декстрин, мазут та інші розріджувачі).
Технологія цементації сталевих виробів пастами включає операції покриття їхньої поверхні пастою потрібної консистенції, завантаження деталей у цементаційний контейнер, завантаження контейнера у піч і витримку при температурі 880...950 °С. Тривалість витримки при цементації сталі пастами скорочується в 2—4 рази.
Для цементації сталі в рідкому карбюризаторі використовують розплави солей (наприклад, суміші NаСl, Nа2СО3, КС1, ВаС12, SіС), у які при температурі 930...950 °С занурюють деталі, що підлягають цементації. При рівномірному нагріванні у ванні деталі швидко (за 0,3—2,5 год) навуглецьовуються на глибину 0,3—0,7 мм. На деталях відсутні окалина та деформація. Гартування сталевих деталей можна виконувати безпосередньо з ванни, не охолоджуючи їх на повітрі. Цементація в рідкому карбюризаторі ефективна для зміцнення сталевих інструментів і деталей малих розмірів.
Більшого поширення на заводах із великосерійним і масовим виробництвами набувала газова цементація. Процес відзначається простотою виконання, високою продуктивністю, можливістю механізації й автоматизації операцій і порівняно з твердою цементацією є сучаснішим та економічнішим. Він допускає регулювання глибини дифузійного шару і концентрацію вуглецю в ньому, що дозволяє стабільно випускати високоякісну та надійну продукцію. Енергоємність обробки при газовій цементації значно нижча, оскільки не витрачається енергія на прогрівання ящиків і великої маси твердого карбюризатора. Значно поліпшуються умови праці робітників.
Процес цементації із застосуванням газового карбюризатора здійснюють нагріванням сталевих деталей у середовищі газів-карбюризаторів у спеціальних герметичних печах при температурі 900...950 °С з наступною термообробкою деталей.
Найчастіше як карбюризатор використовують суміш природного газу метану та газу-розріджувача (здебільшого застосовують ендотермічну контрольовану атмосферу, що складається з 92—95 % ендогазу та 8—5 % природного газу). На деяких підприємствах цементацію сталі проводять в атмосфері нерозбавленого природного газу, пропану, оксиду вуглецю, а також світильного і генераторного газів, або застосовують рідкі карбюризатори: гас, бензин, синтин, що подають краплями в герметичний робочий простір печі, де утворюється газова фаза.
Температура цементації сталі, як правило, становить 910...930 °С, а для прискорення процесу її підвищують до 1000...1050 °С. У разі газової цементації тривалість обробки скорочується в 2—2,5 рази порівняно з цементацією твердим карбюризатором. Середні швидкості газової цементації сталі залежно від температури
Останнім часом усе ширше застосовується процес вакуумної цементації сталі. Вакуумна піч складається з нагрівальної камери з вентилятором для забезпечення інтенсивної циркуляції атмосфери, транспортних пристроїв і гартівного бака. Температуру при вакуумній цементації сталі можна підняти до 1100 °С, суттєво скоротивши тривалість обробки. Виконувати це в прохідних печах при звичайній газовій цементації сталі малоефективно насамперед через різке скорочення терміну служби оснащення печі. Процес цементації сталі здійснюється в два етапи. На першому, активному етапі насичення, в піч подають природний газ метан під тиском 13—40 кПа. Уміст вуглецю на поверхні деталі в цей час досягає 2 %. На другому етапі подачу газу припиняють, у печі створюють вакуум і дають витримку. Під час витримки відбувається дифузія вуглецю вглиб деталі, і на його поверхні концентрація вуглецю стає оптимальною (0,8—1,0 %). Після закінчення витримки піч охолоджують до температури 500...600 °С (нижче температури гартування), а потім знову нагрівають до температури гартування. Такий режим охолодження-нагрівання сприяє подрібненню зерен, які виросли при високій температурі цементації сталі, її перекристалізації.
Гартування виконують зануренням піддону зі сталевими деталями в масляну гартівну ванну. Відпуск деталей виконують при температурі 180 °С.
Вакуумна цементація сталі вигідно відрізняється від інших способів її обробки: тривалість цементації становить приблизно 1,5 год, тобто майже в 10 разів менша, ніж при звичайній цементації; немає потреби в установках для приготування газів; відсутність кисню і вологи виключає окиснення деталей, їх поверхня виходить чистою. Крім того, зменшуються питомі витрати електричної енергії та забезпечується висока культура виробництва.
Режим термообробки сталевих деталей після цементації, що проводиться для здобуття їхніх остаточних властивостей, залежить від багатьох факторів: способу цементації сталі, марки, структури дифузійного шару тощо. Найпоширеніші режими термообробки сталевих деталей після цементації графічно зображено на рис. 3.72.
Рис. 3.72. Найпоширеніші режими термічної обробки сталевих деталей після цементації
Якщо сталь спадково дрібнозерниста, а деталі, виготовлені з неї, не мають відповідального призначення, то застосовують найпростіший режим: безпосереднє гартування від температури цементації з охолодженням у маслі чи розплаві солі (160...180 °С). Кращі результати дає гартування сталі після попереднього підстуджування на повітрі до 800...850 °С (рис. 3.72, а). Воно забезпечує утворення мартенситу в цементованому шарі та часткову перекристалізацію серцевини з подрібненням зерна.
Для перетворення залишкового аустеніту, який буває в цементованому шарі легованих сталей і знижує поверхневу твердість деталей, після гартування сталі додатково призначають обробку її холодом (рис. 3.72, б).
Після цементації сталі твердим карбюризатором і газової цементації в шахтних печах застосовують швидке або повільне охолодження деталей. При швидкому охолодженні не утворюється карбідна сітка, але збільшується викривлення деталей. Наступне гартування деталей виконують, починаючи з температури нагрівання 760...780 °С або з температури вище критичної точки АС1 для повного гартування серцевини деталей (рис. 3.72, в).
За наявності в дифузійному шарі залишкового аустеніту призначають обробку сталі холодом (рис. 3.72, г). Для відповідальних деталей машин з метою забезпечення їх високих механічних властивостей після цементації в твердому карбюризаторі застосовують складніший режим термообробки (рис. 3.72, д). Як правило, сталеві деталі після цементації охолоджуються на повітрі або разом з ящиком, унаслідок чого в структурі дифузійного шару утворюється небажана карбідна сітка. Тому для здобуття потрібної структури деталей призначається подвійне гартування. Перше гартування (або нормалізація), починаючи з температури 880...900 °С, усуває карбідну сітку і подрібнює зерно серцевини деталей. Нормалізація дає значно менше їх жолоблення, однак не завжди усуває карбідну сітку в шарі.
При другому гартуванні, починаючи з температури 760...830 °С, подрібнюється зерно цементованого шару, внаслідок чого зменшується його крихкість і досягається висока твердість сталі.
У дифузійному шарі деталей відповідального призначення, виготовлених із високолегованих сталей (20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА та ін.), навіть при сповільненому охолодженні після цементації залишається велика кількість залишкового аустеніту. З метою його розкладу й утворення легованих карбідів, які підвищують твердість шару, після цементації перед гартуванням призначають 2—3-разовий високий відпуск деталей при температурі 600...650 °С з тривалою витримкою (рис. 3.72, е).
Завершальною операцією термообробки сталевих деталей після цементації є низький відпуск при температурі 160...180 °С, унаслідок чого в поверхневому шарі утворюється структура відпущеного мартенситу та частково знімаються внутрішні напруження в сталі.
Азотування сталі. Азотуванням називають хіміко-термічну обробку, яка полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару сталі азотом при нагріванні у відповідному середовищі. Азотують гільзи циліндрів двигунів внутрішнього згорання, деталі арматури турбін і цілий ряд інших деталей, що працюють на зношування при підвищених температурах в агресивних середовищах (рис. 3.73).
Рис. 3.73. Деталі, що пройшли азотування:
а — деталі гільзо-поршневої групи двигуна; б — деталі турбін
Твердість азотованого шару є вищою, ніж цементованого, і зберігається при нагріванні до високих температур 450...500 °С, тоді як твердість цементованого шару, що має мартенситну структуру, зберігається тільки до 200...225 °С.
Після азотування сталь і чавун набувають:
високої твердості на поверхні, яка не змінюється при нагріванні до температури 500...600 °С;
високої межі витривалості;
високої кавітаційної стійкості;
високої корозійної стійкості на повітрі, у прісній воді і в водяній парі.
Азотований шар добре шліфується і полірується. Азотують вуглецеві сталі та сталі, що леговані алюмінієм, молібденом, ванадієм, титаном, бором й іншими елементами, а також чавуни, з яких виготовляють деталі паливних насосів, гільзи та циліндри двигунів внутрішнього згоряння, зубчасті колеса, колінчасті вали, деталі турбін, парових установок тощо.
Розрізняють газове азотування й азотування в рідкому середовищі.
Процес газового азотування здійснюють у частково дисоційованому аміаку NН3, у суміші аміаку й азоту, суміші аміаку та попередньо дисоційованого аміаку. Для активізації процесу в аміачно-водневу суміш вводять кисень або повітря. Значного поширення набувають атмосфери на основі частково дисоційованого аміаку і компонентів, що містять вуглець: природного чи світильного газу, продуктів піролізу вуглеводнів, синтину, гасу, спирту тощо. Як рідкі середовища для азотування використовують розплави ціаністих солей лужних металів (КСNО; NаСN; NаСNО та ін.) з домішками карбонатів (Nа3СО3; К3СО3) у різних пропорціях, а також розплави на основі карбаміду СО(NН3)3 з такими самими домішками.
Найпоширенішим є газове азотування в середовищі аміаку розбавленого азотом. Для азотування деталі завантажують у герметичні печі, в які подають суміш газів з аміаком. Дисоціація аміаку відбувається за реакцією
2NН3 → 2N + 3Н3.
Залежно від температури процесу насичення розрізняють низькотемпературне (500...600 °С) і високотемпературні (600...1200 °С) азотування сталі та чавуну.
При низькотемпературному азотуванні незалежно від того, в якому середовищі відбувається обробка, атомарний Нітроґен, що утворюється при дисоціації аміаку, адсорбується поверхнею металу і дифундує в його кристалічну ґратку, утворюючи різні азотисті фази. У сплавах заліза відбувається утворення таких фаз:
α-фаза — твердий розчин азоту в α-залізі;
γ-фаза — азотистий аустеніт, твердий розчин азоту в γ-залізі, який утворюється при температурі вище 591 °С;
γ'-фаза — твердий розчин на основі нітриду заліза Fе4N, що містить 5,7—6,1 % N;
ε-фаза — твердий розчин на основі нітриду Fе2,3N, що містить 8,0—11,2 %.
У випадку азотування при температурі нижче 591 °С дифузійний шар складається із трьох зон: ε + γ' + α. Високу твердість забезпечує нижня зона, що складається із α-фази, у якій виділяються дисперсні нітриди. Зона, що складається із γ'-фази, дуже тонка і не завжди виявляється. Зона, яка складається із £-фази, є крихкою і має низьку міцність.
У випадку азотування при температурі вище 591 °С дифузійний шар складається з таких фаз: ε + γ' + γ + α. При повільному охолодженні азотистий аустеніт розпадається на евтектоїд: γ → α + γ', а при швидкому охолодженні має перетворення за мартенситним механізмом. У цьому випадку максимальна твердість буде в мартенситному підшарі.
Середня швидкість азотування сталі залежить від температури та глибини шару (табл. 3.15).
Низькотемпературне азотування виробів застосовують як зміцнювальний засіб. Проте фази, які утворюються в азотованому шарі вуглецевих сталей, не забезпечують досить високої твердості, а дифузійний шар є крихким. Тому азотуванню піддають вироби, виготовлені з легованих сталей.
При азотуванні легованих сталей утворюються леговані ε- і γ-фази. Легуючі елементи Аl, Мо, В, Ті, V, W підвищують розчинність азоту в α-фазі й утворюють спеціальні нітриди типу МN, М2N (наприклад VN, ТіN, Сr2N та ін.).
Виділяючись у дрібнодисперсному стані, ці нітриди підвищують твердість азотованого шару й термічну стійкість. Найпоширенішими марками сталі, що піддають азотуванню, є 38ХМЮА; 40ХНМА; 18Х2Н4МА й інші.
При азотуванні отримують шар товщиною 0,3—0,6 мм із твердістю 700...1200 НV.
Загалом технологічний процес виготовлення азотованих виробів із конструкційних сталей побудований у такій послідовності:
попередня термообробка (гартування і високий відпуск), мета якої — здобути потрібні механічні властивості сталі;
механічна обробка виробів, включаючи шліфування;
захист місць, які не підлягають азотуванню за допомогою гальванічних покриттів (лудіння, нікелювання, цинкування й інші) або спеціальних обмазок;
підготовка поверхні під азотування — знежирювання; з поверхні корозійностійких сталей видаляють оксидну плівку, використовуючи декапірування, травлення тощо;
власне процес азотування
кінцеве шліфування або доведення до відповідності заданим допускам.
Рис. 3.74. Схема комплексу обладнання для азотування з електронною системою управління:
1 — балони з газами NH3 та N2; 2 — cистема управління азотним потенціалом (рис. 3.75); 3 — піч (рис. 3.76); 4 — система охолодження; 5 — система нейтралізації відпрацьованих газів
Рис. 3.75. Можливості електронної системи керування:
а — мнемосхема печі з індикацією стану за температурою, витратою газів, наявністю аварійних ситуацій; б — вікно ходу процесу, що відображає графіки «температура — час» та «потенціал — час» ; в — вікно стану фазового складу поверхневого шару, в якому відображено діаграму «Ферум — Нітроґен — температура» і маркер, що вказує прогнозований фазовий склад на поверхні металу
Рис. 3.76. Загальний вигляд шахтної печі для азотування
Азотування для підвищення корозійної стійкості сталевих виробів здійснюють при температурі 650...700 °С. Завдяки підвищеній швидкості дифузії тривалість процесу скорочується до кількох годин. На поверхні виробів утворюється тонкий шар (0,01—0,03 мм) ξ -фази високої корозійної стійкості.
Для антикорозійного азотування виробів придатні будь-які сталі, навіть прості вуглецеві.
Ціанування і нітроцементація сталі
Ціануванням і нітроцементацією сталі називають одночасне насичення поверхневих шарів деталей вуглецем і азотом. Такі дифузійні шари мають високу твердість і опір спрацьовуванню, підвищену міцність від утомленості та корозійну стійкість. Спільна дифузія вуглецю й азоту відбувається значно швидше, ніж кожного з них окремо, тому тривалість процесу скорочується (до 0,5—2 год). Окрім того, процес ціанування супроводжується значно меншими деформаціями деталей складної форми. Ціануванню піддають деталі, виготовлені з конструкційних вуглецевих і легованих сталей, а також інструменти, виконані зі швидкорізальних сталей.
Ціанування здійснюють у рідкому або твердому насичувальному середовищі. Залежно від температури нагрівання деталей при обробці розрізняють низькотемпературне (540...560 °С), середньотемпературне (820...860 °С) і високотемпературне (920...960 °С) ціанування. За підвищених температур поверхня деталей насичується більше вуглецем, ніж азотом, тобто процес швидше наближається до цементації.
Низькотемпературне ціанування використовують для зміцнення загартованих і відпущених інструментів із швидкорізальних сталей на глибину 0,02—0,4 мм, а також прес-форм для лиття під тиском, штампового інструмента із сталей ЗХ2В8, Х12М і деталей із середньовуглецевих сталей. Насичення відбувається у ванні з розплавленими солями: ціанистого калію (КСN), ціанистого натрію (NаN), ціанистого калію-заліза (К4Fе (СN)6 з домішками нейтральних солей (NаСl, Nа2СО3 тощо) протягом 0,5—3 год.
Для ціанування сталі у твердому середовищі застосовують суміші, що складаються з деревного вугілля, жовтої кров'яної солі, карбонатів барію, натрію, калію тощо. Після обробки стійкість виробів зростає в 2—3 рази. Зміцнений шар складається з тонкого (10—15 мкм) поверхневого шару карбонітридів Fе3 (СN), під яким є твердий шар (600...1000 NF) азотистого фериту завтовшки 0,2—0,5 мм. За продуктивністю ціанування сталі в твердих сумішах значно поступається рідкому або газовому ціануванню і не набуло поширення.
Середньотемпературне ціанування застосовують для поверхневого зміцнення невеликих за розмірами деталей з низько- та середньовуглецевих, а також легованих сталей: зубчастих коліс малого модуля, пальців, втулок, гайок, шайб тощо (рис. 3.77). На таких деталях технічними умовами найчастіше передбачається зміцнений шар невеликої глибини (до 0,5 мм), тому тривалість насичення становить 0,5—1,5 год. Як насичувальне середовище використовують розплави солей, до складу яких також входять ціаніди. Після насичення дифузійний шар може містити 0,8—1,2 % N та 0,6—0,7 % С. Для забезпечення остаточних властивостей деталі гартують безпосередньо з ціаністої ванни, а потім відпускають при температурі 180...200 °С.
Рис. 3.77. Деталі, що підлягають ціануванню:
а, б — гайки; в — шестерні малого модуля; г — фільєри пресів; д — поршневий палець
Високотемпературне ціанування застосовують для зміцнення деталей із вуглецевих і спеціальних сталей із умістом вуглецю до 0,4 % на глибину 0,15—2 мм залежно від температури витримки. Як правило, її вибирають у межах 1,5—6 год, після чого на поверхні деталі вміст вуглецю досягає 0,8—1,2 %, азоту — 0,2—0,3 %. Збільшення вмісту ціаністих солей у насичувальному розплаві сприяє підвищенню концентрації вуглецю та азоту в поверхневому шарі деталі, глибина якого залежить від температури і тривалості процесу. Відповідно змінюється також структура дифузійного шару. Висока температура процесу зумовлює зростання розміру зерна аустеніту, тому режим кінцевої термообробки може бути досить складним, подібним до обробки цементованих деталей: нормалізація, гартування, низький відпуск, подвійне гартування, обробка холодом, низький відпуск та ін. Після такої термообробки твердість поверхневого шару перевищує 58 НRС, а твердість серцевини становить 180...400 НВ.
Суттєвим недоліком ціанування сталі є отруйність ціаністих солей і висока вартість процесу. Тому найбільшого поширення набули нові процеси насичення сталі вуглецем і азотом у газовому середовищі, що містить аміак і навуглецьовувальний газ: ендогаз, екзогаз, природний газ, гас, синтин та ін.
Розрізняють високотемпературну (800...950 °С) і низькотемпературну (560...580 °С) нітроцементацію сталі. Глибина нітроцементації залежить від температури та тривалості процесу.
Високотемпературну нітроцементацію сталі виконують протягом 2—10 год на глибину шару 0,2—1,0 мм. Остаточних властивостей нітроцементовані сталеві деталі набувають після термообробки, подібної до обробки цементованих сталевих деталей. Після неї твердість поверхневого шару досягає 60...62 НRС.
Низькотемпературній нітроцементації піддають сталеві деталі, що вже пройшли термообробку для отримання заданих властивостей. Як і при азотуванні, тривалість процесу лежить в межах 0,5—6 год. Нітроцементація підвищує поверхневу твердість сталевих деталей, стійкість до спрацьовування та задирок, забезпечує добру припрацьовуваність і високу стійкість до зносу деталей.
Іноді високотемпературну нітроцементацію сталі називають карбонітруванням, а низькотемпературну — нікотруванням. Порівняно з газовою цементацією нітроцементація забезпечує меншу деформацію та викривлення сталевих деталей, підвищену корозійну стійкість і стійкість деталей до спрацьовування. Подібність і розходження ціанування та нітроцементації наведені на рис. 3.78.
Рис. 3.78. Порівняльна діаграма ціанування та нітроцементації
Дифузійне насичення металевих сплавів металами та неметалами
Для багатьох деталей енергетичного машинобудування потрібна висока опірність окисній дії робочого і навколишнього середовища при високих температурах (окалино- та жаростійкість).Залишається важливою проблемою захист виробів з вуглецевих та низьколегованих сталей від корозії на повітрі, у воді, водяній парі. Розв'язати ці проблеми можна за допомогою дифузійної металізації.
Дифузійна металізація — це процес хіміко-термічної обробки, під час якої відбувається насичення поверхні виробів із сталі та чавуну металами. Процес насичення їх алюмінієм називають алітуванням, хромом — хромуванням, бором — боруванням, кремнієм — силіціюванням тощо. На відміну від електролітичних, дифузійні покриття не мають різкої межі з металом. Частіше від інших видів дифузійної обробки в промисловості використовують алітування, хромування, а також хромоалітування і хромосиліціювання.
Дифузійну металізацію, як і інші процеси хіміко-термічної обробки виробів, можна здійснювати у твердих, рідких та газоподібних середовищах.
Металізаторами для твердої дифузійної металізації виробів є порошкоподібні суміші потрібного елемента або його сплаву з залізом — феросплави (FеАl, FеСr, FеSі та ін.), активаторами (NН4С1, NН4І та ін.), а також нейтральною домішкою (каолін, шамот) для запобігання спіканню суміші. У процесі хіміко-термічної обробки виробу одночасно або послідовно перебігають кілька хімічних реакцій, що мають різне значення для дифузійного насичення, як основні, так і побічні небажані перетворення.
Рідку дифузійну металізацію здійснюють, занурюючи деталі в розплавлений метал (наприклад, алюміній).
Газову дифузійну металізацію виконують у середовищах, у яких може утворюватися газова насичувальна фаза (наприклад, при пропусканні хлору в середовищі, що містить феросиліцій FеSі чи карбід кремнію SіС).
Оскільки метали, на відміну від вуглецю та азоту, утворюють із залізом розчини заміщення, дифузія їх відбувається значно повільніше. Тому дифузійні металізаційні шари у десятки й сотні разів тонші за однакових температурно-часових умов процесу.
Поширенню дифузійної металізації заважають велика тривалість процесу і необхідність використання високих температур.
Хромування сталевих деталей здійснюють при температурі 900...1400 °С в порошковому, рідкому або газовому середовищах, що містять хром. Тривалість процесу насичення становить 5—12 год, унаслідок чого на поверхні деталі утворюється дифузійний шар завглибшки 0,1—0,3 мм.
Хромовані сталеві деталі мають підвищену окалиностійкість до температури 800 °С, високу корозійну стійкість, а при концентрації хрому в поверхневому шарі 0,3—0,4 % — підвищену твердість і зносостійкість. Хромують різні сталеві деталі й інструменти: клапани, вентилі, патрубки, штампи для холодного штампування тощо. Хромуванню можна піддавати деталі, виготовлені з будь-яких сталей, чавунів, металокерамічних матеріалів. Термодифузійне хромування сталевих деталей виконують після їх механічної обробки. При цьому потрібно враховувати приріст розмірів при насиченні, який становить 0,03 мм на діаметр. Стійкість сталевих штампів, що піддавалися дифузійному хромуванню, підвищується у 10 разів, матриць холодного осадження — у 5 разів, гарячого осадження — у 3 рази, порівняно з нехромованими. Твердість карбідного шару хромованої сталі досягає 1200...1300 НV.
Основна мета алітування — підвищення жаростійкості, корозійної стійкості, ерозійної стійкості поверхні деталей зі сталі та чавуну (деталі газогенераторних машин, цементаційних ящиків, чохли термопар, лопаті газотурбінних двигунів тощо). При алітуванні заліза і сталей спостерігається плавне падіння концентрації алюмінію за товщиною шару. Залежно від методу і режиму насичення, вона може сягати 58 % за масою на поверхні і відповідати утворенню фазового шару FеАl3. У результаті алітування сталь має високу окалиностійкість до 850...900 °С, оскільки у процесі нагрівання поверхні алітованих виробів утворюється щільна плівка оксиду алюмінію Аl2О3, яка захищає метал від окиснення. Насичення поверхні виконують при температурі 950...1050 °С протягом 3—12 год, унаслідок чого утворюється шар, товщина якого 0,1—1,0 мм, а твердість — до 500 НV, зносостійкість є низькою.
Борування. З метою підвищення твердості, зносостійкості, корозійної стійкості проводять насичення поверхні металів і сплавів бором. Борування здійснюють для сталей перлітного, феритного й аустенітного класів, тугоплавких металів і нікелевих сплавів. Насичення поверхні бором і утворення боридів відбувається при нагріванні виробів до температури 900...1000 °С у середовищах, які містять бор (2—5 год), або при електролізному боруванні в розплаві. Товщина боридного шару становить 0,05—0,4 мм, твердість досягає 2000 НV. Основна структура зміцненого шару — бориди FеВ та Fе2В, а вуглець сталей повністю витісняється із зони боридів у глибину. Під шаром стовбчастих кристалів боридів — α-твердий розчин бору в залізі, а при більшій кількості кремнію в перехідній зоні можуть утворюватись графіт і ферит що є небажаним. У сталях легованих Сr і Мn створюються леговані бориди (Fе, Сr, Мn) В та (Fе, Сr, Мn)2 В, що за будовою аналогічні боридам заліза. При нагріванні бориди стійкі: FеВ — до 800 °С, Fе2В — до 1000 °С. Таким чином, висока мікротвердість боридного шару зберігається до 700 °С, що дозволяє застосовувати борування для підвищення зносостійкості деталей, які працюють при високих температурах (борування інструменту із сталей Р18, Р9, ХВГ).
Сталі після борування мають високу корозійну стійкість у водних розчинах соляної, сірчаної і фосфорної кислот. При однаковій товщині шару однофазні боридні шари мають більшу кислотостійкість, ніж двофазні. В азотній кислоті боридні шари нестійкі, але швидкість руйнування сталей після борування в 1,5—5 разів нижча, ніж без борування. Боровані шари на вуглецевих сталях стійкі до дії киплячих водних розчинів NаОН і КОН, а також розплавів цинку, свинцю, олова, кадмію.
Силіціювання — дифузійне насичення кремнієм поверхневих шарів виробів — виконують при температурі 950...1100 °С у відповідних середовищах. Тривалість витримки становить 2—12 год. При силіціюванні заліза і сталі на поверхні утворюється α-фаза (твердий розчин кремнію в α-залізі). Іноді дифузійний шар складається з двох фазових шарів: на поверхні утворюється шар впорядкованої α'-фази Fе3Sі, а далі йде α-фаза. Товщина дифузійного шару лежить у межах 0,15—0,8 мм. Він має підвищену стійкість до корозії в морській воді та кислотах, а також підвищену зносостійкість при відносно невеликій твердості (200...250 НV). Якість силіційованого шару значно знижується за рахунок пористості. Безпористі шари кременистого фериту на сталі 20 при 1100...1200 °С протягом 3—5 год. були отримані в суміші моносилану SіН4 6—10 л/год. з дисоційованим аміаком (аргоном або азотом). Найцікавішим є силіціювання легованих сталей, оскільки Сr, Аl і Ті, потрапляючи в силіційований шар, підвищує його окалиностійкість.
Дифузійне цинкування — процес, що полягає в насиченні поверхні сталі цинком при температурах 300...550°С і 700...1000 °С у відповідному середовищі. Його використовують для підвищення корозійної стійкості сталі на повітрі, в бензині, маслах і гарячих газах (300...500 °С), що містять сірководень. Цинкове покриття нестійке в кислотах і лугах.
Для підвищення корозійної стійкості різних виробів (листів, труб, дроту, посуду, апаратури для здобуття спиртів, деталей газових компресорів тощо) частіше застосовують цинкування їх короткочасним (15—90 с) зануренням через флюс у розплавлений цинк (430...460 °С). Товщина утвореного шару при цьому становить 0,02—0,03 мм. При цинкуванні сталі в порошку цинку (температура 350...450 °С, тривалість витримки складає 1—10 год), товщина дифузійного шару становить 0,03—0,08 мм. Цинкування сталі в парах цинку здійснюється при температурі 700...1000 °С. Утворена товщина шару досягає 0,15—0,2 мм і більше.
Усе більшого поширення набуває сульфідування залізовуглецевих сплавів — насичення поверхні виробів сіркою. Його здійснюють у сульфуризаторах, що містять хлористий калій, сульфат натрію, тіосульфат натрію, ціанистий натрій, карбамід тощо, тому поверхня виробів одночасно насичується вуглецем і азотом. У зв'язку з цим такий процес називають сульфоціануванням. Після сульфідування підвищується зносостійкість виробів; поліпшується адсорбція масла на поверхнях деталей, які працюють в умовах тертя; усуваються схоплювання і задирки під час різання; поліпшується припрацювання деталей при терті. Тому сульфідуванню піддають високоточні деталі, що працюють в умовах тертя (наприклад, компресійні та маслозйомні кільця двигунів внутрішнього згоряння).
Комбінуючи набори компонентів, якими одночасно чи послідовно насичують поверхні деталей, можна здобувати широку гаму властивостей дифузійних шарів. Тому в практиці сучасної хіміко-термічної обробки виробів комбіноване насичення їхньої поверхні набуває значного поширення.
Дефекти хіміко-термічної обробки металів
Основними факторами появи дефектів при хіміко-термічній обробці металів є порушення призначених режимних параметрів процесу, недотримання умов виконання допоміжних операцій і незадовільна якість матеріалів.
Рис. 3.79. Хіміко-термічна обробка
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Що таке хіміко-термічна обробка?
Назвіть види хіміко-термічної обробки.
Назвіть основні параметри хіміко-термічної обробки.
Що таке цементація?
Які є види карбюризаторів?
Які сталі використовують для цементації?
Від чого залежать ступінь цементації та глибина цементованого шару?
Що таке азотування?
Особливості властивостей сталі після азотування.
Найпоширеніші марки сталі, що піддають азотуванню.
Назвіть переваги та недоліки ціанування.
Що таке дифузійна металізація?
Д/з: ст.90-91 опрацювати,скласти конспект,дати відповідь на контрольні запитання.
Page updated
Report abuse