Лекции по Материаловедению и ТКМ
скачать (14653.8 kb.)
Доступные файлы (21):
скачатьсодержание
Загрузка...
- Смотрите также:
- по материаловедению и ТКМ [ лекция ]
- Фрезерные станки [ документ ]
- по материаловедению и ТКМ [ лекция ]
- Ответы по материаловедению и ТКМ [ документ ]
- Ответы по материаловедению и ТКМ (Мельникова ОГУ) [ документ ]
- Ответы по ТКМ [ документ ]
- Билеты по материаловедению [ документ ]
- по материаловедению. Вар. 8 [ документ ]
- по материаловедению [ лекция ]
- Материаловедение (ТКМ) [ лекция ]
- материаловедение [ лекция ]
- Ответы по материаловедению (Маркелов) [ документ ]
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.
^
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↔СО2+Сат.
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: ^ оС 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 → 2Н2+Сат.
Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундирует вглубь, образуя насыщенный аустенит или цементит.
^ 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.
^ 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.
^
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. ^ 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 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.
^ 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:
NН4С1 = 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).
^ 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 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
Nа2В407=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:
2В407 == 4В2Оз+02.
Металлический натрий восстанавливает окисел бора до металлического бора:
6Nа +В20з == 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 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.
^ 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:
NН4С1 = 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:
NН4С1=NНз+НС1, 2НС1+Сг=СгСl2+Н2.
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.)