Химико-термическая обработка стали

Министерство  Образования и Науки Российской Федерации

… 
 

                                                            Кафедра МВТМ 
 

Реферат

«Химико-термическая  обработка стали» 
 
 
 

                                          Выполнила: …

                                          Группа: …

                                          Проверила: … 
 
 
 
 
 

Казань  – 2010

Оглавление 

Введение…………………………………………………………………………..…...3

Общая характеристика процессов химико-термической  обработки сталей……...4

Цементация………………………………………………………………………….….6

Азотирование………………………………………………………………………...10

Цианирование…………………………………………………………………….….13

Диффузионная металлизация………………………………………………………..16

Заключение…………………………………………………………………………….20

Список  используемой литературы…………………………………………………...21 
 
 
 

 

Введение

      Химико-термической  обработкой называется обработка, заключающаяся  в сочетании термического и химического  воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (C, N, Al, Cr, Si  и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

      Химико-термическая  обработка нашла широкое применение в машиностроении. Большое число деталей массового применения подвергается цементации (науглероживанию), нитроцементации (азотонауглероживанию) и азотированию.

      Широкое применение химико-термической обработки  объясняется тем, что большинство  деталей и механизмов работают в  условиях износа, кавитации, циклических  нагрузок, коррозии (химической, электрохимической) при криогенных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла. Химико-термическая обработка, повышая твердость поверхности, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

 

Общая характеристика процессов  химико-термической  обработки стали 

     Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии:

  1. Выделение диффундирующего элемента  в атомарном состоянии благодаря  реакциям, протекающим во внешней  среде; 

  2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

  3. Диффузия атомов насыщающего  элемента вглубь металла.

     Скорость  диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При  насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые  растворы внедрения, диффузия протекает  быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

     Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности  насыщения (рис. 1).

       
 
 
 
 
 

  Рис. 1. Зависимость толщины  диффузионного слоя от продолжительности  насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

     Концентрация  диффундирующего элемента на поверхности  зависит от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этого  элемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скорость процесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис. 1,в).

     Природа первичных образований, фазовый  состав и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут  быть описаны диаграммой состояния: металл растворитель – диффундирующий элемент.

     Чем выше концентрация диффундирующего  элемента на поверхности детали, тем  выше толщина слоя. Чем выше температура  процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.

     Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия  большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего  элемента в металле мала, то часто  наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего  элемента в металле роль пограничных  слоев уменьшается. В момент фазовых  превращений диффузия протекает быстрее.

 

     Цементация 

     Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают  два основных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

     Целью цементации является получение твердой  и износостойкой поверхности, что  достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующей  закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка  одновременно повышают и предел выносливости.

     Для цементации обычно используют низкоуглеродистые  стали (0,12 – 0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом  при цементации, сохранял высокую  вязкость после закалки.

     Для цементации детали поступают после  механической обработки с припуском  на шлифование 0,05 – 0,10 мм или после  окончательной обработки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем  меди (0,02 – 0,05 мм), которую наносят  электролитическим способом, или  изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной  глины, песка и асбеста или  окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.

     Рассмотрим механизм образования и строение цементованного слоя. Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH₄ и др.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

     Цементация, как правило, проводя т при  температурах выше точки Ас₃, при которых устойчив аустенит, растворяющий в больших количествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.

     При температуре цементации (выше точки  Ас₃) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада: феррита и цементита (рис. 3,а). Концентрация углерода при этом обычно не достигает предела насыщения (C_max) при данной температуре.

Рис. 3. Диаграмма состояния  Fe - Fe₃C (а), изменение содержания углерода, твердости после закалки (б), и микроструктуры после медленного охлаждения (в, х 250) по толщине цементованного слоя. 
 

     Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности  к сердцевине детали (рис. 3,б). В связи  с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 3,в): заэвтектоидную 1, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку бывшему зерну аустенита; эвтектоидную 2, состоящую из одного пластичного перлита, и доэвтектоидную 3 – из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

     Легирующие  элементы, присутствующие в стали, оказывают  влияние на структуру цементируемого слоя, механизм его образования и  скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующих  элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного  слоя – аустенит и карбиды, имеющие  глобулярную форму. В этом случае средняя суммарная концентрация углерода на поверхности может превышать  растворимость углерода в аустените при данной температуре. Нередко концентрация углерода в сталях, содержащие Cr, Mn, W, Mo или V, достигает 1,8 – 2,0%.

     Легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, на толщину слоя практически влияния не оказывают.

        При цементации твердым  карбюризатором насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементированном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению

  2CO→CO₂ + C_ат.

     Углерод выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:

  BaCO₃ + C→BaO + 2CO.

     Газовая цементация осуществляется путем нагрева изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

     В случае газовой цементации можно  получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость  прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность  полной механизации процессов и  значительно упрощается последующая  термическая обработка изделий, так как можно производить  закалку непосредственно из цементационной печи.

     Наиболее  качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (CH₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана:

  2CO→CO₂ + C_ат.

  или

  CH₄→2H₂ + C_ат,  Cат→Feγ=аустенит  Fe_γ(С).

     Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

     В большинстве случаев, особенно при  обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки  Ас₁ (сердцевины) при 820 – 850˚С.

     Это обеспечивает измельчение зерна  и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840 – 860 ˚С, для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали.

     Заключительно операцией термической обработки  цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое, отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.