Химико-термическая обработка металлов и сплавов

1.

Тема 8.2
Химико-термическая обработка

2.

ХТО — это процесс поверхностного насыщения стали
каким-либо элементом (углеродом, азотом или тем и
другим одновременно, а также хромом, кремнием, бором и
др. путем диффузии элемента из внешней среды при
относительно высокой температуре).
ХТО обычно преследует две основные цели:
1)получение
более
твердой,
износоустойчивой
поверхности;
2)получение поверхности, которая была бы устойчива
против коррозии.
Наиболее распространенные виды химико-термической
обработки стали
цианирование
—
цементация,
азотирование
и

3.

Наиболее
термической
распространенные
обработки
азотирование и цианирование.
стали
виды
—
химико-
цементация,

4.

Некоторые методы упрочения поверхности металлических изделий
приведены на рис.
I— индукционная закалка, II — цианирование, III — нитроцементация,
IV — газовая цементация, V — цементация, VI — цементация в твердом
карбюризаторе, VII — азотирование, VIII —диффузное хромирование

5.

Цементация
—
процесс
заключающийся
в
диффузионном насыщении поверхностного слоя стали
углеродом при нагреве в соответствующей среде.
Цель цементации — обогащение поверхностного
слоя деталей машин углеродом до концентрации 0,8—
1,1% и получение после закалки высокой твердости при
сохранении пластичной сердцевины.
Цементации подвергаются детали, изготовленные
из низкоуглеродистых сталей (0,1—0,2% С) марок 15, 20
или легированных низкоуглеродистых сталей марок 20Г,
20Х, 20ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР
и др.

6.

Цементация
может
проводиться
в
твердых,
газообразных и жидких углеродсодержащих средах,
которые называются карбюризаторами.
Цементация в твердом карбюризаторе. Наиболее
старым способом является цементация в твердой среде
(в
твердом
карбюризаторе).
При
этом
способе
цементации карбюризатором служит смесь древесного
угля и углекислых солей (углекислого бария — ВаСО3,
углекислого натрия (соды) — Na2CО3 и др.). Углекислые
соли добавляются к древесному углю в количестве 10—
40%. В практике цементации применяют различные
составы карбюризаторов.

7.

Для цементации в твердом карбюризаторе детали
помещают в цементационный (стальной) ящик и
засыпают карбюризатором. Упаковка деталей в ящик с
карбюризатором должна производиться таким образом,
чтобы детали со всех сторон были окружены
карбюризатором и не соприкасались друг с другом, со
стенками и дном ящика. Ящик закрывают крышкой и
замазывают огнеупорной глиной. Через отверстия в
крышке в ящик вставляют стержни из такой же
низкоуглеродистой стали, из которой изготовлены
цементуемые
детали.
Эти
стержни
называются
«свидетелями» и служат они для контроля цементации.
Ящик с упакованными в нем в карбюризаторе деталями
помещают в печь и нагревают до 900—950° С.

8.

При нагреве протекают следующие процессы. Углерод
угля соединяется с кислородом воздуха, находящимся в
ящике, и образуется окись углерода (СО). Этот процесс
можно
представить
следующей
реакцией:
2С + O2 = 2СО
Окись углерода разлагается на углекислый газ (С02) и
углерод, образующийся в виде атомов (атомарный
углерод):
2СО-С02 + С
Атомарный углерод проникает (диффундирует) в
поверхностный слой детали. Так как детали нагреты до
900—950° С, т. е. выше верхней критической точки Ас3у и
в стали при такой температуре образуется 7-железо,
углерод, проникая в сталь, растворяется в v-железе с
образованием
аустенита:
3Fe... + C = Fe3C.

9.

Азотирование
—
это
технологический
процесс
химико-термической обработки, при которой поверхность
различных металлов или сплавов насыщают азотом в
специальной азотирующей среде. Поверхностный слой
изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе
растворённые
нитриды
и
приобретает
повышенную
коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость.
По
микротвёрдости
азотирование
уступает
только
борированию, в то же время превосходя цементацию и
нитроцементацию (незначительно).

10.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию
Стали углеродистые и легированные, конструкционные
и инструментальные.
Высокохромистые чугуны, высокохромистые
износоустойчивые сплавы, хром.
Титан и титановые сплавы.
Бериллий.
Вольфрам.
Ниобиевые сплавы.
Порошковые материалы.

11.

Назначение азотирования
•Упрочнение поверхности
•Защита от коррозии
•Повышение усталостной прочности
В
зависимости
технологические
от
назначения
процессы
существенно отличаться.
используемые
азотирования
могут

12.

Основные процессы азотирования
Газовое азотирование
Насыщение поверхности металла производится при температурах
от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и
тугоплавкие металлы) градусов Цельсия. Средой для насыщения
является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и
механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей
применяют:
• двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения;
• разбавление диссоциированного аммиака:
• воздухом,
• реже водородом.
Контрольными параметрами процесса являются:
• степень диссоциации аммиака
• расход аммиака
• температура
• расходы
дополнительных
технологических
газов
(если
применяются).

13.

Каталитическое газовое азотирование
Это последняя модификация
технологии газового
азотирования. Средой для насыщения является аммиак,
диссоциированный при температуре 400—600 градусов
Цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи.
Для управления структурой и механическими свойствами
слоя при каталитическом газовом азотировании сталей
применяют изменение.

14.

Ионно-плазменное азотирование
Технология насыщения металлических изделий в
азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором
возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом
служат стенки камеры нагрева, а катодом —
обрабатываемые изделия. Для управления структурой
слоя и механическими свойствами слоя применяют (в
разные стадии процесса):
• изменение плотности тока
• изменение расхода азота
• изменение степени разряжения
• добавки к азоту особочистых технологических газов:
водорода
аргона
метана
кислорода.

15.

Оборудование для азотирования
Для
проведения
газового
азотирования
используются
преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для
подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.
Для проведения каталитического газового азотирования
используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные
печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными
зондами для определения насыщающей способности атмосферы.
Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования
применяются специализированные установки, в которых происходит
нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки и, собственно,
насыщение.
Для азотирования из растворов электролитов применяются
установки для электрохимико-термической обработки.