Химико-термическая обработка стали

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»

Основы термической обработки металловОсобенности термической обработки металлов и сплавовОбщие сведения о шлифовально полировальных станках

Технология процесса

Подготовка, насыщение азотом и финишная обработка верхнего слоя стали и сплавов подразумевает несколько ступеней:

  1. Подготовительная термообработка металла, которая состоит из закалки и высокого отпуска. Внутренность изделия при этом становиться более вязкая и прочная. Закалка проходит при очень высокой температуре около 940 °С и заканчивается охлаждением в жидкости – масле или воде. Температурные условия отпуска составляют 600-700 °С , что наделяет металл твердостью годной для резки;
  2. Механическая обработка заготовок, которая заканчивается шлифовкой. После этой процедуры деталь достигает нужных размеров;
  3. Предохранительные меры для тех частей изделий, которые должны попасть под действие насыщения азотом. Для этого применяют простые составы вроде олова или жидкого стекла, наносимые слоем не более 0,015 мм путем электролиза. Происходит образованием тонкой пленки, непроницаемой для азота;
  4. Азотирование стали по вышеописанной технологии;
  5. Финишное доведение деталей до требуемого состояния.

При этом сложноформенные заготовки с тонкими стенками упрочняют при 520 °С.

По поводу изменения геометрических параметров изделий после процесса азотирования отмечено, что она зависит от толщины полученного азотонасыщенного слоя и примененных температур. Однако, данное изменение в любом случае незначительно.

Нужно отметить, что современные методы обработки металла способом азотирования проводят в печах шахтного строения. Максимальная температура которых может достигать 700 его проведения ˚С, циркуляция аммиака в таких печах принудительная. Муфель может быть встроенным в печь либо сменным.

Процесс будет проходить намного быстрее, если внедрить дополнительный муфель. Тогда запасной муфель с деталями загружается сразу же по готовности первого с обработанными заготовками. Однако, применение такого способа не всегда экономически оправдано, особенно при насыщении азотом крупных изделий.

3.5.а Алитирование

Алитированием — называется режим химико-термической обработки, состоящей в насыщении поверхности стали алюминием в соответствующих насыщающих средах. Как правило алитирование производится при температурах 700–1100 °С. Целью алитирования является повышение окалиностойкости изделий (до 800–900 °С), коррозионной стойкости в атмосферных условиях и морской воде.

В основном, алитированию подвергаются малоуглеродистые стали (так как углерод резко снижает глубину алитированного слоя. При алитировании в течение 12 ч при 1100 °С у стали с 0,06 % углерода толщина слоя составляет 1 мм, у стали с 0,38 % углерода — менее 0,9 мм, при температуре 850 °С — 0,17 и 0,14 мм соответственно). Содержание алюминия в насыщенном слое может достигать 40–50 %, однако при превышении его концентрации 30% отмечается повышенная хрупкость слоя и для выравнивания его концентрации по сечению поверхностного слоя обычно выполняется термическая обработка. В табл. 6 приведены основные составы сред и режимов алитирования

Таблица 6.Составы сред и режимы алитирования сталей.

Состав насыщающей среды

Режим алитирования

Глубина слоя, мм

Т, °С

τ, ч

Алитирование в газообразных средах

Через алюминий или ферроалюминий пропускают соляную кислоту. Алитирование протекает за счет образования AlCl2

950–1050

2–5

0,25–0,4

Алитирование в порошковых средах*

49,5 % порошкообразного Al + 49 % Al2O3 + + до 1 % NH4Cl

950–1050

6–12

0,25–0,6

48 % ферроалюминия + + 48 % SiO2 + 4 % NH4Cl

Алитирование методом металлизации

На поверхность детали напыляют слой алюминия толщиной от 0,7 до 1,2 мм. Поверх напыленного слоя наносят слой обмазки, состоящий из 50 % графита + + 20 % жидкого стекла и 30 % SiO2

900–950

2–4

0,2–0,4

Алитирование в ваннах с расплавленным алюминием

Расплавленный алюминий (88–92 %) +

+ 8–12 % Fe**

680–750

0,25–1,0

0,05–0,25

Примечание:

* Приспособления для алитирования (ящики, контейнеры) подобны ящикам для цементации.

** Железо в расплав вводится во избежание растворения поверхности детали.

Так как углерод практически нерастворим в алитированном слое, то он оттесняется вглубь от поверхности детали, образуя под насыщенным алюминием слоем зону, обогащенную углеродом.

Цементация стали

Цементацией называют процесс, позволяющий насытить стальную конструкцию углеродом. Сердцевина остается мягкой, однако, благодаря слою покрытия прочность поверхности повышается. В процессе использования такие детали не подвергаются воздействию извне, не деформируются от ударов и не стираются.

Цементации подвергают элементы, выполненные из углеродистой либо легированной стали, содержание углерода в которой не менее 0,08% и не более 0,35%. Для цементации используют составы, богатые углеродом. Их называют карбюризаторами. Такие составы могут быть жидкими, твердыми и даже газообразными.

Цементация сталей происходит через нагрев деталей, предварительно упакованных в изготовленные из железа ящики, туда же помещается карбюризатор. Твердое вещество состоит из 70% древесного угля, 20–25% углекислого бария, а оставшаяся часть – углекислый кальций (3–5%).

Цементация осуществляется при температуре в 920–930 ОС, этот показатель позволяет сделать процесс максимально быстрым. Обогащение слоя стали происходит, когда частицы угля соприкасаются с поверхностью элемента. Передатчик углерода в данной ситуации – газовая среда. Правильно организованная цементация поверхностного слоя стальной детали продолжается от 5 до 14–15 часов.

Цементации в жидкой среде принято подвергать изделия небольшого размера, выполненные из углеродистой или легированной стали. Их на некоторое время опускают в соляные ванны, которые содержат расплавленные вещества:

  • соду;
  • поваренную соль;
  • карбид кремния.

Схема цементации стали

Газовая цементация

Суть газовой цементации в том, что деталь из легированной стали сначала необходимо нагреть, а затем прокалить в печи, температура в которой составляет от 920 до 950 ОС. В камеру печи на протяжении всего периода цементации подают газ с содержанием метана.

При использовании данного метода продолжительность цементации стальной детали уменьшается в несколько раз. Так, глубина слоя цементирования в 1,2 м может быть зафиксирована уже после 4–5 часов нахождения детали в газовой камере.

Газовая цементация сталей обладает явными преимуществами по сравнению с первыми двумя способами:

  • возможность регулировки процесса посредством изменения количественного и качественного состава газа;
  • отсутствие габаритного оборудования;
  • относительная чистота процесса, отсутствие угольной пыли;
  • возможность проводить закалку стали непосредственно в камере печи.

Газовая цементация достаточно экономична в сравнении с использованием твердых и жидких карбюризаторов.

Пережог

Пережог — неисправимый брак. При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева — слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

Термический метод обработки металлов

Термическая обработка подразумевает изменение самой структуры материала, к чему приводит:

  • нагревание;
  • выдержка;
  • охлаждение.

Такие операции приводят к упрочнению, разупрочнению и стабилизации металла.

Различают такие виды термообработки металлов или сплавов:

  • отжиг. Заготовку нагревают, а затем охлаждают в печи, чем снимают остаточное напряжение внутри нее. Это приводит к повышению пластичности и уменьшению твердости металла;
  • закалка. Сталь нагревают свыше критической отметки и немедленно охлаждают, что позволяет повысить прочность и снизить пластичность металла;
  • отпуск. Закаленную деталь нагревают до определенной температуры, а затем выдерживают и охлаждают на воздухе (хрупкую сталь – в воде). Эта операция приводит к снятию (уменьшению) внутреннего напряжения, что делает заготовку пластичной;
  • нормализация. Заготовку нагревают, а затем охлаждают на воздухе. Этот вариант экономичнее и быстрее, чем отжиг, ведь не требует одновременного остывания печи;
  • старение. Материал заставляют быстро изменять те параметры, которые в обычных условиях меняются очень долго;
  • охлаждение. Закаленную и остывшую до 200 градусов Цельсия заготовку выдерживают в охладителях, а затем используют при производстве режущих (повышает их стойкость и производительность) и измерительных (достигается хорошая стабилизация размеров) инструментов.

В связи с тем, что глубинные процессы, происходящие в середине металла во время термообработки, изучаются до сих пор, этот метод нельзя отнести к простым и однозначно предсказуемым.

Применяемое оборудование

Оборудование, используемое для термообработки, включает в себя пять основных категорий, которые присутствуют в любом термическом цехе:

  • нагревательные установки;
  • закалочные емкости;
  • устройства для приготовления и подачи жидких и газообразных сред;
  • подъемное и транспортное оборудование;
  • измерительная и лабораторная техника.

К первому виду относятся камерные печи для термообработки металлов и сплавов. Кроме того, нагрев может осуществляться высокочастотными индукторами, газоплазменными установками и ваннами с жидкими расплавами. Отдельным видом нагревательного оборудования являются установки для химико-термической и термомеханической обработки. Загрузка и выгрузка изделий производится с помощью мостовых кранов, кран-балок и других подъемных механизмов, а перемещение между операционными узлами термической обработки — специальными тележками с крепежной оснасткой. Устройства, обеспечивающие процесс термообработки жидкими и газообразными средами, обычно располагаются вблизи соответствующего оборудования или же соединены с ним трубопроводами. Основной измерительной техникой термического цеха являются различные пирометры, а также стандартный измерительный инструмент.

Дефекты закалки

К дефектам закалки относятся:

  • трещины,
  • поводки или коробление,
  • обезуглероживание.

Главная причина трещин и поводки — неравномерное изменение объема детали при нагреве и, особенно, при резком охлаждении. Другая причина — увеличение объема при закалке на мартенсит.

Трещины возникают потому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местах детали превышают прочность металла в этих местах.

Лучшим способом уменьшения напряжений является медленное охлаждение около температуры мартенситного превращения. При конструировании деталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких изменений сечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.

Коробление (или поводка)возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения и проявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могут быть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут быть предотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепенным нагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.

Обезуглероживание стали с поверхности — результат выгорания углерода при высоком и продолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращения обезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде (восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).

Образование окалины на поверхности изделия приводит к угару металла, деформации. Это уменьшает теплопроводность и, стало быть, понижает скорость нагрева изделия в печи, затрудняет механическую обработку. Удаляют окалину либо механическим способом, либо химическим (травлением).

Выгоревший с поверхности металла углерод делает изделия обезуглероженным с пониженными прочностными характеристиками, с затрудненной механической обработкой. Интенсивность, с которой происходит окисление и обезуглерожевание, зависит от температуры нагрева, т. е. чем больше нагрев, тем быстрее идут процессы.

Образование окалины при нагреве можно избежать, если под закалку применить пасту, состоящую из жидкого стекла — 100 г, огнеупорной глины — 75 г, графита — 25 г, буры — 14 г, карборунда — 30 г, воды — 100 г. Пасту наносят на изделие и дают ей высохнуть, затем нагревают изделие обычным способом. После закалки его промывают в горячем содовом растворе. Для предупреждения образования окалины на инструментах быстрорежущей стали применяют покрытие бурой. Для этого нагретый до 850°С инструмент погружают в насыщенный водный раствор или порошок буры

Цементация стальных изделий

Стали, подвергаемые цементации, можно разделить на три группы по химическому составу:

Конструкционные стали, нелегированные или низколегированные: 15, 18, 20, 20Х, 20ХФ, 20ХМ, 18ХГ, 20ХН. Эти стали имеют низкую стоимость, но их невозможно закалить обычным способом из-за недостаточного содержания углерода, поэтому насыщение поверхности – простой способ увеличения их прочности.

Стали, легированные титаном 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХНТ, 20ХГНТР. В них образуется особо прочное соединение – карбид титана.

Высоколегированные конструкционные стали: 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА. Из них изготавливают наиболее прочные и ответственные детали.

Разработка технологии цементации зависит от группы, к которой относится сталь. Чтобы получить высокую твердость поверхности, от 58 HRC и выше, обработанную деталь подвергают закалке с последующим низким отпуском. Таким образом, сердцевина детали остается «мягкой» и вязкой, с твердость 35-40 HRC при высокой твердости поверхности. Благодаря этому обработанная деталь может использоваться при изгибающих нагрузках, которые опасны для хрупких изделий.

Технология и методы алитирования

Диффузионное алитирование проходит при температуре от 700 до 1100 градусов Цельсия. Оптимальные режимы обработки выбираются в зависимости от особенностей обрабатываемого материала. Выделяют несколько наиболее распространенных технологий химико-термического воздействия:

Алитирование в порошкообразных смесях проводится использовании металлических ящиков. Заготовка помещается в твердый карбюризатор. При этом приготовленная смесь может использоваться многократно, что делает данную технологию экономически выгодной. Температура алитирования стали в данном случае выдерживается в пределе от 950 до 1050 градусов Цельсия, процесс занимает от 6 до 12 часов. Максимальная глубина проникновения алюминия составляет 0,5 миллиметров. Используемый состав представлен алюминиевой пудрой, порошка и определенных добавок. Добавки представлены окисью алюминия и молотой глиной, а также хлористыми разновидностями аммония и алюминия. В некоторых случаях процедура затягивается до 30 часов, что делает ее экономически не выгодной. Данный метод применим в случае сложной конфигурации детали, так как изменение поверхностного этапа проводится поэтапно. Изменение состава поверхностного слоя порошкообразной смесью – самый дорогой метод из всех применяемых.
Алитирование напылением проводится в случае, если нужно сократить время проведения данной операции. Данная технология алитирования определяет воздействие относительно невысокой температуры, около 750 градусов Цельсия, требуется порядком одного часа для проникновения алюминия на глубину 0,3 миллиметра. Достоинства данного метода заключается в быстроте исполнения, но нельзя его использовать для получения износостойких ответственных деталей, так как поверхностная пленка очень тонкая. Поверхностное насыщение стали рекомендуют проводить при массовом производстве. Прочность сцепления напыляемого слоя в этом случае невысокая, составляет 0,2-2 кг/мм 2 . Также особенности данной технологии определяют высокую пористость структуры.
Металлизация с последующим обжигом проводится при нагреве детали до температуры 900-950 градусов Цельсия, длительность нагрева составляет 2-4 часа. Данный метод существенно уступает предыдущему, так как получаемый слой имеет толщину не более 0,2-0,4 миллиметров, а расходы повышаются по причине существенного увеличения времени нагрева. Однако его часто применяют в случае, когда нужно получить деталь с прочной и твердой поверхностью, которая будет подвергаться существенным нагрузкам. Это связано с тем, что проводимый отжиг позволяет снизить показатель хрупкости, повысив прочность.
Алитирование в вакууме предусматривает нанесение покрытия путем испарения алюминия с его последующим осаждением на поверхности изделия. Толщина получаемого покрытия незначительно, но вот достигаемое качество одно из самых высоких. Для нагрева среды проводится установка специальных печей, которые способны раскалить подающийся состав до температуры 1400 градусов Цельсия. Высокое качество покрытия достигается за счет равномерного распределения алюминия по всей поверхности. Технология в данном случае предусматривает предварительный нагрев поверхности до температуры от 175 до 370 градусов Цельсия. Следует уделять много внимания предварительной подготовке детали, так как даже незначительная оксидная пленка становится причиной существенного снижения качества сцепления поверхностного и внутреннего состава. Высокая стоимость процесса и его сложность определяют применимость только при производстве ответственных деталей.
Алитирование методом погружения пользуется большой популярностью по причине того, что покрытие наносится в течение 15 минут. При этом оказывается относительно невысокая температура: от 600 до 800 градусов Цельсия. Кроме этого данный метод один из самых доступных в плане стоимости. Суть процедуры заключается в погружении заготовки в жидкий алюминий, нагретый до высокой температуры. При этом получается слой толщиной от 0,02 до 0,1 миллиметра

Особое внимание уделяется подготовке среды, в которой будет проводится процесс изменения химического состава поверхностного слоя.

Микроструктура вставки, алитированной по оптимальному режиму

Есть и другие методы внесения алюминия, которые позволяют изменить основные эксплуатационные качества заготовок.

Наиболее распространенным дефектами называют нарушения однородности структуры, появления зоны коррозионного поражения, отклонение требуемого химического состава и так далее.

Долговечность изделия в зависимости от толщины алитированного слоя

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Нитроцементация стали

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка металлов подразумевает процедуру, которая заключается в изменении структуры металла. Фактически такая обработка проводится путем нагрева до нужной температуры и выдерживания деталей в специально подготовленных химических растворах. Подобный процесс осуществляется для того, чтобы насытить слои металлических заготовок необходимыми химическими компонентами.

В целом, химико-термическая обработка стали направлена на улучшение твердости, коррозионной устойчивости, а также стойкости к износу различных деталей. Она более привлекательна по отношению к прочим технологиям благодаря тому, что при увеличении прочности деталей наблюдается не столь существенное снижение пластичности.

Основными параметрами химико-термической обработки деталей является температура процесса, а также продолжительность выдержки. Варьируя их, можно получать разные результаты.

Особенности процесса

Особенность подобного процесса заключается в том, что при его проведении может применяться насыщение как одним компонентом, так и несколькими. При однокомпонентном насыщении используется только хром, углерод, бор или другой активный компонент.

В случае же многокомпонентной обработки может применяться сочетание различных элементов, к примеру бор и алюминий (такой процесс называют боролитирование). Также используются другие пары веществ. Стоит отметить, что в промышленности обычно применяется однокомпонентное насыщение.

После того, как будет совершена химико-термическая обработка, появится диффузионный слой. Под этим необходимо понимать изменение структуры и химического состава материалов, а также свойств наружного слоя и фаз элемента. Изменения диффузионного слоя зависят от состава компонентов.

Разновидности

Химико-термическая обработка деталей может осуществляться различными способами:.    Азотирование. В этом случае детали обогащаются азотом, что приводит к повышению их усталостной прочности, а также устойчивости к появлению коррозии.

  1. Алитирование. Данный процесс подразумевает обработку алюминием. Его цель ‒ придание изделиям повышенной стойкости к разнообразным газам.
  2. Цементация. Процедура происходит путем обогащения деталей углеродом. В результате этого изделия приобретают твердую оболочку с сохранением мягкой середины.
  3. Борирование.

    Как нетрудно догадаться из названия, в этом случае стальные или другие детали подвергают воздействию бором. В результате проведения подобной процедуры поверхность изделий становится более стойкой к разнообразным средам, что также приводит к увеличению их долговечности.

  4. Хромирование. Детали проходят насыщение хромом.

    Подобная химико-термическая обработка способна придать им устойчивость к преждевременному износу, появлению коррозии и окалины.

Преимущества процесса

Химико-термическая обработка материалов имеет ряд важных преимуществ, наиболее существенными из которых являются:

  • высокий темп насыщения металлов;
  • обеспечение равномерного распределения температуры во время обработки;
  • низкий уровень термонапряжения;
  • во время данного процесса практически полностью исключаются деформации.

Данный вид обработки привлекателен еще и потому, что подходит для большого количества разнообразных металлов. Подобная процедура нашла широкое распространение для придания прочности шестерням.

При заказе услуги у нас, Вы можете быть уверены в том, что химико-термическая обработка будет строго контролироваться на каждом этапе. Каждому клиенту при обращении к нам предоставляется индивидуальный подход.

Выполняем следующие виды работ: 

• Замер твердости материалов и изделий по заявке Заказчика Цена 200,00 руб./один замер 

• Определение марки материала и количество содержания химических элементов в сталях при помощи оптического спектрометра «Минилаб СЛ». Результат анализа материала считается информационным и не является основанием для решения спорных вопросов через арбитраж. 

Цена 800,00 руб./один образец 

 Минимальный размер оплаты при поставке деталей на термообработку из одной марки стали: 

• до 55 кг ( закалка+отпуск ) Цена 1500,0 

• до 20 кг ( цементация+закалка ) Цена 1500,0

Также, Вы можете заказать бесплатный обратный звонок и наш менеджер ответит на все интересующие вопросы.

Поделитесь в социальных сетях:vKontakteFacebookTwitter
Напишите комментарий

Adblock
detector