Л4.2. Химико-термическая обработка сталей

Модуль 4.
Основы термической и химико-термической
обработки металлов.
Слайд 14.01

Понятие химико-термической обработки.
Слайд 14.02
Химико-термическая обработка (ХТО) – технологический процесс, сочетающий в себе химическое и термическое воздействие на металл с целью улучшения его поверхностных свойств.
Виды ХТО:
Цементация;
Азотирование;
Нитроцементация;
Цианирование.
Борирование
Термохромирование
Термоалитирование и т.д.

Цель химико-термической улучшить поверхностные свойства деталей, что достигается диффузией упрочняющего компонента.
После диффузии в поверхностном слое образуются: 1.Твердый раствор диффундирующего компонента.
2. Химические соединения металла с диффундирующим компонентом.
В результате повышается поверхностная твердость, износостойкость или коррозионные свойства поверхности обрабатываемого металла.
Химико-термическая обработка

Понятия химико-термической обработки.
Слайд 14.03
х0 – общая толщина диффузионного слоя;
хэ - эффективная толщина диффузионного слоя;
хп - толщина переходной зоны диффузионного слоя;
С0 – концентрация диффундирующего элемента на поверхности;
С1 – содержание диффундирующего элемента в исходном металле (сердцевине);
С2 – концентрация диффундирующего элемента, установленного для хэ .
Схема диффузионного слоя

Понятие химико-термической обработки.
1 – элементы, образующие твёрдые растворы внедрения (углерод, азот);
2 – элементы, образующие твёрдые растворы замещения (хром, алюминий, кремний).
Влияние температуры и длительности ХТО на толщину диффузионного слоя

Параметры ХТО
Состав среды, содержащей диффундирующий в металл элемент;
Температура ХТО;
Длительность ХТО обработки;
Толщина эффективного слоя;
Наличие заключительной ТО.

Цементация.
Слайд 14.05
Цементация - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементации подвергаются стали с низким содержанием углерода (0,1 – 0,2 % С).
Используются два вида цементации: газовая и в твердом карбюризаторе
Цементация в газовой фазе. ( метан или природный газ)
Стальные детали нагревают до 910 – 930 ̊ С в газовых смесях, содержащих СН4.
Метан разлагается: СН4 → Сат + 4Н
Время нагрева 6 – 12 часов
Закалка сразу из печи.
Толщина эффективного слоя 1 – 1,7 мм.
Цементация

Цементация.
Слайд 14.06
Схема распределения углерода и твёрдости после закалки и низкого отпуска по толщине цементированного слоя.
хэ – эффективная толщина слоя; хо – общая толщина слоя.
Цементация

Цементация.
Слайд 14.07
2. Цементация в твёрдой фазе (в твёрдом карбюризаторе).
В качестве карбюризатора используют смесь из древесного угля, активатора BaCO3 и наполнителя CaCO3.
Температура 930-950 °С. Продолжительность выдержки зависит от размера ящика и составляет 6-11 часов. После цементации ящики охлаждают в печи до 400-500 °С затем на воздухе и раскрывают.
Далее закалка с 820-830 °С.
и низкий отпуск.
Свойства цементированного слоя сохраняются до 250 °С
Цементация

Цементация.
Слайд 14.08
После цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах сталь становится крупнозернистой. Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении обязательной термообработки. Цель термообработки – упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины.
В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки.
Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. а).
Последующая обработка цементированных деталей

Цементация.
Слайд 14.09
При более высоких требованиях к структуре после цементации детали подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке и низкому отпуску (рис. б).
Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. в).
Последующая обработка цементированных деталей

Азотирование.
Слайд 14.10
Азотирование - это процесс насыщения поверхностного слоя азотом. Используется для легированных сталей.
Процесс азотирования состоит в выдержке деталей в атмосфере аммиака при температуре 500 – 520 ̊ С. Время азотирования 24 – 90 ч., hэф = 0,3 – 0,6 мм. Иногда двухступенчатое азотирование: 500-520, долее 540-560 при этом время азотирования снижается, поверхностная твердость сохраняется.
Аммиак при нагреве разлагается:
NH3 → N + 3H
Атомарный азот диффундирует вглубь металла.
Азотирование

Нитроцементация.
Слайд 14.11
Поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается образованием в поверхностных слоях нитридов (Fe4N, Fe2-3N и твердого раствора азота в железе. При этом твердость азотированного слоя выше чем цементированного и закаленного до 1200 HV.
Свойства азотированного слоя сохраняются при повышении температуры деталей до 450-500 ̊ С,
Азотирование

Нитроцементация
Нитроцементация сталей — процесс насыщения повехности стали одновременно углеродом и азотом °С в газовой среде, состоящей из метана и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—860 °С. Время цементации 4-10 часов, hэф = 0,2 – 0,8 мм.
CH4 → Cат + 4Н
2NH3 → 2Nат + 6H
После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи или после небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °

Нитроцементация
Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930—950 °С) и нитроцементации (840—860 °С) на толщину 0,5—0,8 мм практически одинакова.
Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.

Нитроцементация
Нитроцементация применяется, например, для зубчатых колес выполняемых из сталей 25ХГТ, 25ХГМ и 25ХГМТ, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2—1,0 мм. Твердость после цементации и последующей термической обработки составляет 58-64 HRC

Цианирование.
Слайд 14.12
Цианирование - это процесс насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом в солевых ваннах.
Существует два вида цианирования:
Среднетемпературное.
Высокотемпературное.
Цианирование

Цианирование.
Слайд 14.13
При среднетемпературном цианировании процесс при температурах 820-860 °С ведут в ваннах, содержащих расплав следующего состава: 25% NaCN, 25-50% NaCl и 25-50% Na2CO3. Продолжительность процесса обусловлена требуемой толщиной слоя и составляет 0,5-1,5 ч. Толщина слоя 0,15-0,35 мм.
В процессе цианирования идут следующие реакции:
Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь.
Цианирование при указанных сравнительно невысоких температурах позволяет выполнять закалку непосредственно из цианистой ванны. Такой вид цианирования применяют для упрочнения мелких деталей.
Цианирование

Цианирование.
Слайд 14.14
Высокотемпературное цианирование применяют для получения слоя толщиной 0,5-2,0 мм. Температура процесса 930-950 °С.
Состав расплава в ванне: 8% NaCN, 82% BaCl2 и 10% NaCl. Зеркало ванны покрывают слоем графита во избежание больших потерь теплоты и угара цианистых солей. Время выдержки 1,5-6 ч.
Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют в железо.
После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают с нагревом в соляной ванне или печи и подвергают низкому отпуску.
Недостатком процесса цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этом принятия специальных мер по охране труда.
Цианирование

Классификация сталей по областям применения
1. Строительные стали: 0,1-0,2 % С.
Стали хорошо свариваются, прочность сварного шва равна прочности стали
Примеры: Ст.2, Ст.3; сталь 10, сталь 20; С 255, С 345,
14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД, 14Г2АФ;
2. Цементируемые стали: 0.1-0,2 % С
Детали с поверхностным износом и действием динамических нагрузок (вязкая сердцевина);
Примеры: 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18Х3Н4МА, 18Х2Н4ВА

Классификация сталей по областям применения
3. Улучшаемые стали (0,3 – 0,5 %)
Стали, содержащие не более 5% легирующих элементов, используемые после операции улучшения (закалка и высокий отпуск). Закалка обычно в масло. Структура сорбита, хорошо воспринимающего ударные нагрузки.
Примеры 35, 40, 45, 30Х, 40Х, 30ХМ, 40ХГ, 30ХГС, 40ХНМ, 38ХН3МФА, 38ХН3М.
4. Высокопрочные стали ( средне- и высоко углеродистые) Gв > 1500 МПа
Закалка и низкий отпуск: инструментальные стали, У9, У13А 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 30Х2ГСН3ВМ