Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до заданной температуры в твердой, газовой или жидкой среде, легко выделяющей диффундирующий элемент в атомарной состоянии, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет, в более широких пределах изменять его свойства.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

1) выделения диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

2) контактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновения (растворения) в решетку железа (абсорбция);

3) диффузии атомов насыщенного элемента в глубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующих фаз. При насыщении углеродом или азотом, составляющими с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.

Поэтому при диффузионном насыщении металлами (диффузионная металлизация) процесс ведут при более высоких температурах и длительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом я особенно углеродом.

Глубина проникновения (диффузии) зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от концентрации диффундирующего элемента на поверхности. Толщина диффузионного слоя при прочих равных условиях тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от активности окружающей среды, обеспечивающей приток атомов этого элемента к поверхности, скорости и диффузионных процессов, приводящих к переходу этих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава и структуры образующих фаз Повышение температуры увеличивает скорость диффузии. Поэтому глубина диффузионного слоя, образующегося за данный отрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса.

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

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при насыщении железа (стали) металлами, обычно указывается не полная толщина слоя с измененным составом, а только глубина до пограничной диффузионной линии между α и γ-фазами. Это объясняется тем, что металлографически трудно определить полную толщину диффузии, и за граничной линией концентрация диффундирующего элемента сравнительно невелика и, следовательно, в этой части слоя не происходит заметного изменения свойств.

Цементация стали.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости. Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.).

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 - 0,10 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02 - 0,04 мм), наносимым электрическим способом, или специальными обмазками, состоянии из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементация осуществляется при температурах выше А_С3 (900 - 950⁰С). Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь металла. В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8 - 1,0%. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, которая уменьшается от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного сдоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.

За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства сталей составляет 0,8 - 1,4 мм.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.

Цементация в твердой среде. Карбюризатором является активированный древесный уголь (дубовый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяный кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы - углекислый барий, кальцинированную соду, поташ в количестве 10 - 40% от массы угля.

Широко применяемый карбюризатор состоит из 20 - 25% углекислого бария, 3,5% СаСО₃, остальное древесный уголь. Углекислый кальций добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатора.

Обычно рабочая смесь, применяемая для цементации, состоит из 25 - 35% свежего карбюризатора и 65- 75% отработанного. В этом случае содержание ВаСО₃ в смеси составляет 5 - 7%.

Подготовленные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20 - 30 мм. Детали укладывают слоями на расстоянии 10 - 15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором в ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кладут лист асбеста сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900 - 950°С, время нагрева до этой температуры определяют из расчета 7 – 9 мин. На 1см минимального размера ящика.

Продолжительность выдержки в печи при температуре цементации зависит от требуемой толщины цементованного слоя. На практике выдержка принимается в расчете роста слоя со скоростью 0,1 мм час. Например, слой толщины 1 мм получают за 9,5 - 10,4 ч.

Для контроля за протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями закладывают "свидетели" - изготовленные из той же марки стали, что и деталь.

Во время цементации "свидетели" периодически вынимают, ломают и по излому определяют толщину цементованного слоя.

Повышение температуры цементации до 950 - 1000°С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

Ящики после цементации охлаждают на воздухе и потом разбирают. Участки изделия, не подлежащие цементации, защищают, нанося гальваническое покрытие медью.

После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью НRС 60 - 63.

Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных - из малоуглеродистого мартенсита.

Газовая цементация. В настоящее время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное можно получить заданную концентрацию углерода я слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия.

При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т.д.

В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода (эндотермические контролируемые атмосферы), например ПСО-06, ПСО-09 и т.д., с добавкой углеродов от 1 до 4%.

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3 - 1,4%, а затем его сникают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).

После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850 - 830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160 - 180°С.

Контрольные вопросы:

1. Что такое цементация и какова ее цель?

2. Как производится цементация в твердой среде?

3. Какие преимущества газовой цементации?

Поиск по сайту: