Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции по Материаловедению и ТКМ - файл к лекции 10-19.10.09.doc


Лекции по Материаловедению и ТКМ
скачать (14653.8 kb.)

Доступные файлы (21):

к лекции 10-19.10.09.doc78kb.19.10.2009 22:14скачать
к лекции 10.doc71kb.21.01.2005 11:10скачать
К лекции 1.doc250kb.15.08.2010 19:06скачать
К лекции 5.doc1107kb.19.01.2005 19:17скачать
Лекция 11.doc370kb.21.01.2005 11:38скачать
Лекция 12.doc374kb.25.10.2009 02:23скачать
Лекция 13(1).doc251kb.11.08.2007 14:55скачать
Лекция 14..doc471kb.08.11.2009 23:40скачать
Лекция 15 (Проводниковые материалы).doc1112kb.11.08.2007 15:13скачать
Лекция 16 (Полупроводниковые материалы).doc728kb.12.08.2007 19:07скачать
лекция 17 (диэл-ки,магн.).doc411kb.12.08.2007 19:17скачать
Лекция 18 (магн. мат.)-1.doc644kb.12.08.2007 19:22скачать
Лекция 19 (Нанотехнологии).doc382kb.12.08.2007 19:26скачать
Лекция 2.doc1683kb.27.08.2010 17:16скачать
Лекция 3.doc1038kb.14.08.2009 12:13скачать
Лекция 4(1).doc1046kb.08.02.2010 15:48скачать
Лекция 4.doc3940kb.08.02.2010 16:02скачать
лекция 6.doc483kb.20.01.2005 12:02скачать
Лекция 7..doc1262kb.11.08.2007 14:17скачать
Лекция 8.doc1034kb.12.10.2009 20:50скачать
Лекция 9-1-19.10.09.doc1592kb.19.10.2009 21:32скачать

содержание
Загрузка...

к лекции 10-19.10.09.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...




Лекция 10.

Глава 10

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термическая обработка представляет собой вид термической обработки, при которой сочетается термическое (тепловое) и химическое воздействие на поверхностный слой стали, в результате изменяется в нужном направлении состав, структура и свойства. Химико-термическую обработку стали применяют для улучшения поверхностных слоев сталь­ных изделий и придания им повышенной твердости, износостойкости, окалиностойкости и высокой коррозионной стойкости.

Химико-термическая обработка стали осуществляется диф­фузией в поверхностные слои стальных изделий некоторых эле­ментов внешней среды (углерод, азот, алюминий, хром, крем­ний и др.) при нагреве. Поглощение сталью этих элементов про­текает лучше тогда, когда они находятся в атомарном состоя­нии при разложении какого-либо, соединения. Атомы элемента диффундируют в кристаллическую решетку железа и образуют с ним твердый раствор или химическое соединение.

Процесс химико-термической обработки можно разделить на следующие три стадии: 1) разложение (диссоциация) мате­риалов внешней среды с образованием атомов; 2) поглощение (адсорбция) атомов элементов внешней среды поверхностью стального изделия; 3) проникновение (диффузия) атомов эле­мента внешней среды в поверхностные слои стали.

Наиболее распространенные виды химико-термической обработки стали—цементация, азотирование, цианирование, нитро-цементация, силицирование, борирование, диффузионное насыщение металлами.
^ 10.1. Цементация стали

Цементацией называют процесс насыщения поверхностных слоев стали углеродом при нагреве для получения после соответствующей термической обработки деталей с твердой поверх­ностью и вязкой сердцевиной, а также с высокой износостойко­стью, повышенной усталостной прочностью. Цементации обычно подвергают ответственные детали в авиа-, авто- и тракторо­строении (шестерни, валы, кулачки, поршневые пальцы, болты, измерительный инструмент и др.) из низкоуглеродистых и низколегированных сталей (10, 15, 25, 20Г, 20Х, 20ХГ, 18ХГМ, 15ХФ, 20ХМ, 12Х2Н4 и др.). После цементации содержание углерода в поверхностном слое достигает 1,0... 1,2%. Толщина цементированного слоя равна 0,5.. .2,5 мм.

После термической обработки изделий, подвергнутых це­ментации, структура поверхностного слоя состоит из мартен­сита и избыточного цементита. Твердость поверхностного слоя достигает НRС 50 и более.

Различают три вида цементации: твердым карбюризатором, газовую и жидкую.

Цементация твёрдым карбюризатором осуществляется нагревом и выдержкой стальных деталей в присутствии науглероживающей среды - твердого карбюризатора, состоящего из древесного угля и углекислых слей BaCOз и Na2СОз. Активным науглероживающим элементом является окись углерода, угле­кислые соли являются активизаторами, ускоряющими процесс образования окиси углерода. Для цементации твердым карбю­ризатором стальные детали укладывают в ящик из листовой стали и пересыпают их карбюризатором — смесью, состоящую из древесного угля мелкой фракции, 20.. .35 % ВаСОз и 3,5% Nа2СОз. Ящик закрывают крышкой, обмазывают огнеупорной глиной, просушивают и устанавливают в нагревательную печь. Температура печи 900-950°С; выдержка при этих темпера­турах 5-10 ч.

При указанных температурах происходит диссоциация кар­бюризатора с образованием атомарного углерода:

2С+О2=2СО, 2СО↔СО2ат.

При нагреве углекислые соли разлагаются с выделением двуокиси углерода, которая, взаимодействуя с углеродом кар­бюризатора, также способствует получению атомарного угле­рода:

ВазСОз → ВаО+СО2, СО2+С=2СО, 2СО СО2+Сат.

Затем протекает вторая и третья стадии цементации: атомарный углерод адсорбируется поверхностью изделий, а затем диффундирует вглубь, образуя более насыщенный углеродом аустенит или цементит.
Для получения высокой твердости и износостойкости це­ментированного слоя изделие подвергают термической обра­ботке: ^ 1) нормализации с температуры цементации (обычно 900-920 оС); 2} нагреву до 760-780оС и закалке для получения мартенситной структуры в цементированном слое; 3) низкому отпуску при 160-180 о С для снятия напряжений в мартенсите при сохранении его твёрдости.

Газовая цементация осуществляется нагревом и выдержкой стальных изделий в газовой среде, содержащей метан, окись углерода, водород и другие элементы. Активными науглероживающими элементами являются метан и окись углерода. Для

газовой цементации стальные изделия загружают на специаль­ные приспособления или поддоны, устанавливаемые в гермети­чески закрываемых печах (камерных или непрерывного дей­ствия). В печь непрерывно подают газ (например, природный газ). Температура печи 900-950 °С. При этих температурах метан диссоциирует с выделением атомарного углерода:

СН4 → 2Н2ат.

Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундирует вглубь, образуя насыщенный аустенит или цементит.

^ Жидкая цементация осуществляется нагревом и выдержкой

стальных изделий в жидкой среде, содержащей раcплавленные соли Na2CO3, NaCl, BaCl2, KCl и SiC. Активным науглероживающим элементом является

карбид кремния. При цементации обычно мелкие стальные изделия загружают в ванну с расплав­ленными солями, содержащими 75.. .80 % Nа2СОз, 10...15% NаС1 и б...10 % SiC. Температура ванны 850.. .900 °С. Для по­лучения цементированного слоя толщиной 0,2.. .0,5 мм цемента­цию проводят при 850 °С в течение 0,5.. .3 ч. После жидкой цементации применяют закалку с последующим низким от­пуском.

Азотирование стали
Процесс насыщения поверхности стальных изделий азотом при нагреве в атмосфере аммиака для повышения твердости, изно­состойкости и коррозионной стойкости называют азотированном. Азотированию подвергают чаще всего низколегированные стали, содержащие алюминий, молибден, ванадий, хром, никель другие элементы (например, стали 38ХМЮА, 18ХНВА, 18ХНМА и др.)

Различают прочностное азотирование —для повышения твёрдости и износостойкости поверхностного слоя деталей и антикоррозионное азотирование — для защиты деталей от коррозии. Применяют газовое и жидкое азотирование.

Газовое азотирование осуществляется нагревом стальных изделий до 500.. .650 °С в герметически закрытых муфелях или в печах в присутствии аммиака.

При нагреве муфеля до температуры примерно 500°С ам­миак диссоциирует с выделением атомарного азота:

2NНз→ ЗН2+2Nат,

который адсорбируется поверхностью стальных изделий, а за­тем диффундирует вглубь, образуя нитриды Fе4М, А1N, Мо2N, Сг2N и др. Дисперсные нитриды обеспечивают повышение твердости поверхностного слоя , его износостойкость и коррозионную стойкость. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двига­телей, шестерни, клапаны, шпиндели, ходовые винты, измери­тельный инструмент (резьбовые пробки, калибры, скобы, шаб­лоны и т. д.). Азотирование применяется как для стали, так и для чугуна.

После газового азотирования термическую обработку не применяют.
^ Жидкое антикоррозионное азотирование осуществляют при 500-640 °С пропусканием аммиака через соляную ванну (цианистые соли или хлористый кальции и хлористый натрий) с за­груженными в нее деталями из средне- и высокоуглеродистой стали. Для защиты деталей от коррозии через расплавленную соль пропускают постоянныи ток плотностью 0,1-0,25 А/дм2;

при этом деталь является анодам, а графит -— катодом. После азотирования детали подвергают закалке для получения тре­буемой твердости поверхностного слоя.

^

Цианирование стали


Цианированием называют процесс одновременного насыщения поверхностных слоев стали углеродом и азотом при нагреве для повышения её твердости и износостойкости.

Цианированию подвергают низкоуглеродистые конструкционные и инструментальные быстрорежущие стали.

Различают высоко- и низкотемпературное цианирование, а также цианирование в твёрдой среде. При высоких температурах преобладает насыщение стали углеродом, а при низких—азотом.

Цианирование осуществляют погружением стальных изделий в ванны, содержащие расплавленные цианистые соли NaCN, KCN, или Ca(CN)2 и нейтральные соли NаС1, КС1, ВаСl2, Nа2СОз, ВаСОз и др. Цианистые соли являются источником поверхностного насыщения стали углеродом и азотом. Высокотемпературное (800 .. . 950 "С) цианирование применяют обычно для низкоуглеродистых сталей с целью повышения твердости и износостойкости, а низкотемпературное (540., .560 °С)— для

инструментальной (быстрорежущей) стали с целью повышения режущих свойств инструментов. ^ Цианирование в ваннах происходит вследствие диссоциации цианистого натрия и выделения атомарного азота и атомарного углерода. Диссоциация может протекать при окислении цианистого натрия кислородом воз­духа и при недостатке кислорода:

2NаСN+О2=2NаСNO, 4NаСМО =Nа2СОз+2NаСN+2Nат,

или 2NаСNO + О2 = Nа2СОз + СО + 2Naт, 2СО=СО2+Сат.

Полученные Nат и Сат адсорбируются поверхностью сталь­ных изделий, а затем диффундируют вглубь, образуя цементит и нитриды.

После жидкого цианирования изделия подвергают закалке и

отпуску.

Цианирование в твердой среде применяют для режущих инструментов. Инструменты упаковывают в ящики и засыпают смесью, состоящей из 60.. .80 % древесного угля и 40.. .20 % порошкообразных солей Nа2СОз и К4Fе(СN)6. Процесс ведут при 540.. .560 °С в течение 0,5.. .2,5 ч. Толщина цианированного слоя равна 0,02.. .0,06 мм. После цианирования повышаются твердость поверхности и стойкость (в 1,5...2 раза) инструмента из быстрорежущих и высокохромистых сталей (Р9, Р18, XI 2, Х12М и т.д.).

Нитроцементация стали

Этот вид химико-термической обработки деталей осуществляют в специальных печах, через которые пропускают газовую смесь, состоящую из науглероживающего газа (природного, пиролизного , светильного и др. газов, содержащих метан и окись углерода) и аммиака.
Нитроцементацию применяют для изделий сложной конфигурации из конструкционной углеродистой, низко- и среднелегированной стали при 800.. .825 °С с целью повышения твердости и износостойкости, а для инструмента из
быстрорежущей стали — при 540.. .560 °С с целью повышения режущих свойств и стойкости инструмента. После нитроцементации производят закалку и низкотемпературный отпуск.
^ Силицирование стали
Силицирование представляет собой процесс поверхностного насыщения стали кремнием, обеспечивающий повышение ее кис­лотоупорности, окалиностойкости и увеличение устойчивости против износа. Силицированию подвергают детали, применяе­мые в химической, бумажно-целлюлозной, нефтяной и других

отраслях промышленности (валики насосов, трубопроводы, де­тали теплообменников, клапаны, арматура и т. д.). Применяют твердое и газовое силицирование.

^ Твердое силицирование проводят в специальных металличе­ских ящиках, детали в которых пересыпают порошкообразной смесью, состоящей из ферросилиция, хлористого аммония и ней­тральных составляющих {шамот, песок). После герметизации ящики помещают в камерные печи, где нагревают до 1100... 1200°С в течение 2-24 ч в зависимости от размеров деталей и требуемой толщины упрочненного слоя. Хлористый аммоний диссоциирует с образованием хлористого водорода, который, взаимодействуя с кремнием ферросилиция, образует хлорид кремния:

4С1 = NНз + НС1, 4НС1+Si = SiCl4+2Н2.

Газообразный хлорид кремния при взаимодействии с желе­зом детали выделяет атомарный кремний:

3SiСl4 + 4Fе = 4FеС1з + 3Siaт,

который адсорбируется поверхностью деталей, а затем диффундирует вглубь, образуя твердый раствор кремния в Fеα. Тол­щина упрочненного слоя равна 0,2.. .0,9 мм, а твердость его не­большая (НУ 200...300).
^ Газовое силицирование проводят в герметически закрытых муфелях или печах с вращающимися ретортами. В реторту печи загружают детали и карбид кремния или ферросилиций, а при 950-1050оС пропускают хлор или хлористый водород. При этом протекают те же химические реакции, что и при твердом силицировании. Продолжительность процесса 2-5 ч, толщина силицированного слоя 0,5...1,25 мм.

^ Борирование стали
Борирование представляет собой насыщение поверхностных слоев стальных изделий бором, благодаря чему обеспечивается высокая твердость, износостойкость и стойкость против корро­зии в различных средах.

Применяют твердое, жидкое, электролизное и газовое борирование.

Наибольшее распространение получило электролизное, жидкое и газовое борирование; осу­ществляемое при 850-950 °С в течение 6-8 ч.

Электролизное борирование изделий осуществляется при 900...950 °С в специальных печах при электролизе расплавленных солей, содержащих бор ( бура Na2B4O7 и др.). Стальные изделия, погружаемые в расплавленные соли, являются като­дом. В качестве анода применяют платиновую проволку диа­метром 1 мм, свернутую в кольцо вокруг изделий на расстоянии

1,0...1,5 см; Плотность тока 0,10...0,15 А/см2 поверхности изделия.

При расплавлении и электролизе бура диссоциирует по ре­акциям

2В407=Nа20+2В20з и Nа2В4O7 == 2Nа + В4O7.

При этом натрий выделяется на катоде, а В407—на аноде. Кроме того, на аноде происходит разряжение анионов В4О7 с выделением кислорода и борного ангидрида:

407 == 4В2Оз+02.

Металлический натрий восстанавливает окисел бора до ме­таллического бора:

6Nа +В2== ЗNа2О + В2.

Полученный активный бор адсорбируется поверхностью стального изделия, а затем диффундирует вглубь, образуя бориды железа FеВ и Fе2В и твердый раствор бора в Fеα. Толщина упрочненного слоя зависит от температуры и продолжительно­сти процесса и составляет 0,10.. .0,30 мм..

^ Диффузионное насыщение металлами

Диффузионное насыщение поверхностных слоев стали различ­ными металлами (алюминием, хромом, цинком, бериллием, мо­либденом и др.) применяют для защиты изделий от коррозии и повышения их жаростойкости, износостойкости и твердости.

Диффузионное насыщение осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах. Из методов диффузионного насыщения наибольшее применение получили алитированне, хромирование и другие виды насыщения.
^ Алитирование стали—это поверхностное насыщение низко-углеродистой стали алюминием для повышения её коррозионной стойкости. Применяют алитирование в твёрдой, жидкой и газообразной среде, а также электролитическое алитирование.
Алитирование в твердой среде осуществляют в закрытых железных или нихромовых ящиках, в которые укладывают стальные детали и пересыпают порошкообразной смесью, состоящую из алюминия (49%), окиси алюминия или каолина (49%) и хлористого аммония (2%), играющего роль ускорителя процесса. В качестве порошкообразной смеси применяют также ферроалюминиевый сплав (99,5%) и хлористый аммоний (0,5 %). Ящики с деталями после упаковки и герметизации нагревают в камерных печах до 950-1000°С в.течение 2.. .12 ч.

Толщина алитированного слоя равна 0,1...1,0 мм. При указанных температурах хлористый аммоний диссоциирует с выделением хлористого водорода, а последний, взаи­модействуя с алюминием, образует хлористый алюминий:

4С1 = NНз + НС1, 6НС1 + 2А1 =2А1С1з – ЗН2.

Хлористый алюминий при контакте с железом диссоциирует с образованием атомарного алюминия:

AlС1з + Fе == FеС13 + А1aт,

который адсорбируется поверхностью изделия, а затем диффун­дирует вглубь, образуя с железом твердый, раствор. Алитированный слой обладает повышенной хрупкостью, поэтому после алитирования детали подвергают диффузионному отжигу. По­следний снижает концентрацию алюминия в поверхностном слое изделия и способствует его диффузии в глубь металла. Алитированию в твердой среде подвергают коллекторы мото­ров, Цементационные ящики, колосники, топливники газогене­раторов, пароперегревательные трубы, чехлы для термопар, электронагреватели и другие детали.
Хромирование стали — это поверхностное насыщение стали хромом для повышения твёрдости и износостойкости и придания ей высоких кислотоупорных, антикоррозонных и жаростойких свойств.

Хромированию подвергают низкоуглеродистые и легированные стали при 1000-1050 оС в течение 6-12 ч в зависимости от требуемой толщины упрочнённого слоя.

Различают диффузионное хромирование в твердой среде, газовое и жидкое хромирование.

Хромирование в твёрдой среде осуществляют в железных или нихромовых ящиках или трубах, в которые укладывают стальные изделия и пересыпают порошкообразной смесью, со­стоящей из феррохрома (50-55%), глинозема (45-50 %) и хлористого аммония (2...3 %). Процесс хромирования в твер­дой среде протекает при 1100-1150 °С при нагреве в камер­ных печах. При этой температуре хлористый аммоний диссоциирует с выделением хлористого водорода, который взаимодействуя с хромом, образует хлорид хрома:

4С1=NНз+НС1, 2НС1+Сг=СгСl22.

Газообразный хлорид хрома при контакте с железом выде­ляет атомарный хром:

ЗСгСl2+2Fе = 2FеС1з+ЗСгат, ,

или СгС12 + Fе == FеС1з+Сгат,,

который адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундирует во внутренние слои. Толщина упрочненного слоя в течение 10...15 ч хромирования достигает 0,15...0,20 мм.


БЕРИЛЛИЗАЦИЯ насыщение по­верхностного слоя металлических из­делий бериллием. Бериллизованные слои отличаются уникальным соче­танием физико-технологических и эксплуатационных св-в: малой плот­ностью, жаростойкостью, термо­стойкостью при быстрой смене температур, теплопоглощающей способностью, высокой прочностью, коррозионной стойкостью в атмосфере, стойкостью к истиранию, особыми ядерно-физи­ческими свойствами. Бериллизации подвергают по­верхности стальных (реже из др.

Защитное действие бериллидов от окисления обусловлено образовани­ем плотного поверхностного слоя на основе окиси бериллия. Диффузион­ное насыщение осуществляют: на­гревом изделий в разреженной сре­де (10-6 мм рт. ст.) при т-ре 750— 1000° С в порошкообразных берил­лии, ферробериллии и т. п. (парофазным контактным насыщением); на­гревом изделий в восстановительной или нейтральной среде при т-ре 750—1200° С в порошковых смесях бериллия, инертной добавки окиси. алюминия, солей активаторов и пе­реносчиков — хлористого или йоди­стого аммония (газовым контактным насыщением); нагревом поверхности изделий в пастах на основе порош­ков бериллия, алюминия и кремния при т-ре 1000—1050° С в тeчение 1—2 мин (скоростным насыщением); погружением изделий в ванну с рас­плавами хлоридов, фторидов щелоч­ных металлов, солей бериллия при т-ре расплава 850—900° С или элект­ролитическим осаждением бериллия из фторидных расплавов (жидкост­ным насыщением). При контактном насыщении в качестве осн. оборудо­вания применяют электр. печь или высокочастотный нагреватель, ре­торту или контейнер с деталями и шихтой, вакуумные насосы либо устройства для подачи защитного газа, при жидкостном насыщении — электр. печь, ванну или электроли­зер с растворимым бориллиевым ано­дом. Наращивание фаз при Б. про­текает с образованием слоев различ­ной толщины и состава, в основном вследствие одностороннего продви­жения атомов бериллия через кри­сталлическую решетку бериллидов к границе раздела металл основы — покрытие и последующей твердофаз-ной хим. реакции. Узкие внутрен­ние слои состоят из очень твердых фаз с меньшим содержанием берил­лия, чем в наружных; основой на­ружных протяженных и более мяг­ких слоев служат высшие бериллиды. Толщина и состав бериллизованных слоев определяются в основном т-рой и продолжительностью процесса.

Об­работка изделий из низкоуглероди­стой стали при т-ре 600° С в течение 100 ч сопровождается образованием слоя бериллида толщиной 200 мкм, при т-ре 1250° С в течение 1 мин — слоя бериллида глубиной до 1,5 мм, Обычно же бериллизация таких изделий осуще­ствляют при т-ре 950—1100° С и вы­держке 4—10 ч, бериллизованный слой (толщиной 200—400 мкм} со­стоит из бериллидов и узких зон твердых растворов. При бериллизации изделий из высокоуглеродистой стали в по­крытии содержится также карбид бериллия. Вследствие быстрого на­грева поверхности в пастах за 1— 2 мин образуется слой толщиной 170—260 мкм. Микротвердость бериллизованных слоев стальной по­верхности 800 — 1300 кгс/мм2. При бериллизации изделий из легированных ста­лей и никельхромовых сплавов типа ЖС6К наряду с
бериллидами железа образуются слои на основе фаз NiВе, СоВе и СгВе2, микротвер­дость слоев до 1500 кгс/мм2. Часто применяют комплексную бериллизацию, исполь­зуя, помимо бериллия, марганец, бор, алюминий и магний (для изде­лий из сплавов типа ЖС6К), с по­лучением сложных металлидов. Бериллизацию изделий из тугоплавких, химиче­ски активных металлов также со­провождается образованием соот­ветствующих, в основном многослой­ных, бериллидных покрытий. При нагреве до т-ры 750° С большин­ство этих металлов взаимодействует с бериллием достаточно заметно.

Бериллизация дает возможность значительно снижать привес (увеличение веса на единицу поверхности) образцов при окислении. При нагреве до т-ры 1100° С в течение 500 ч привес бериллизованного сплава ЖС6К умень­шается в 8—10 раз, при нагреве до т-ры 1250° С за 40 ч — в 20 раз. Привес бериллизованной меди при нагреве до т-ры 800° С в течение 15 ч уменьшается в 150 раз, тантала при нагреве до т-ры 1000° С за 14 ч — в 200 раз, титана при выдержке на воздухе при т-ре 900° С в течение 230 ч — в три — пять раз.

Бериллизацию при­меняют в машино- и приборострое­нии, гл. обр. для обработки изделий из жаропрочных сплавов: теплоза­щитных экранов, деталей газотур­бинных двигателей, тепловыделяю­щих элементов ядерных реакторов и т. п. См. также Диффузионные покрытая.


Скачать файл (14653.8 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru