Что такое химико термическая обработка стали
Химико-термическая обработка металлов
В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения.
В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.
Содержание
Классификация процессов химико-термической обработки
В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:
Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.
При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.
Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)
В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.
Массоперенос при химико-термической обработке
При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:
Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО.
Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.
Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, то есть содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.
Применение
ХТО применяют с целью:
Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).
Химико-термическая обработка стали
Существуют различные способы воздействия на сталь с целью придания ей требуемых свойств. Один из комбинированных методов — химико-термическая обработка стали.
Общие принципы
Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.
Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.
Рассматриваемый процесс включает три этапа:
Интенсивность диффузии увеличивается в случае формирования растворов внедрения и снижается, если вместо них формируются растворы замещения.
Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.
На размер диффузионного слоя влияют температура и длительность выдержки. Данные параметры связаны прямой зависимостью. То есть с ростом концентрации насыщающего элемента возрастает толщина слоя, а повышение интенсивности теплового воздействия приводит к ускорению диффузии, следовательно, за тот же промежуток времени она распространится на большую глубину.
Большое значение для протекания процесса диффузии имеет растворимость в материале обрабатываемой детали насыщающего элемента. В данном случае играют роль пограничные слои. Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ зерен множества кристаллических дефектов диффузия происходит более интенсивно. Особенно это проявляется в случае малой растворимости насыщающего элемента в материале. При хорошей растворимости это менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется при фазовых превращениях.
Классификация
Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.
В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.
Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.
При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления. Наиболее часто в промышленности для создания газовой и активной газовой сред используют нагрев твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого регулирования состава, отсутствия необходимости повторного нагрева, возможности автоматизации и механизации.
Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.
Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.
По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.
Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.
Диффузионная металлизация
Это поверхностное насыщение стали металлами.
Возможно проведение в жидкой, твердой, газовой средах. Твердый метод предполагает использование порошков из ферросплавов. Жидкой средой служит расплав металла (алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод предполагает использование хлористых металлических соединений.
Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется малой интенсивностью диффузии металлов в сравнении с азотом и углеродом, так как вместо растворов внедрения они формируют растворы замещения.
Такая химико-термическая операция производится при 900 — 1200°С. Это дорогостоящий и длительный процесс.
Основное положительное качество — жаростойкость продуктов. Ввиду этого металлизацию применяют для производства предметов для эксплуатационных температур 1000 — 1200°С из углеродистых сталей.
По насыщающим элементам металлизацию подразделяют на алитирование (алюминием), хромирование, борирование, сицилирование (кремнием).
Первая химико-термическая технология придает материалу стойкость к окалине коррозии, однако на поверхности после нее остается алюминий. Алитирование возможно в порошковых смесях либо в расплаве при меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и проще.
Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и среднеуглеродистых сталей оно также улучшает износостойкость и твердость. Данная химико-термическая операция в основном производится в порошковых смесях, иногда в вакууме.
Основное назначение борирования состоит в улучшении стойкости к абразивному износу. Распространена электролизная технология с применением расплавов боросодержащих солей. Существует и безэлектролизный метод, предполагающий использование хлористых солей с ферробором или карбидом бора.
Сицилирование увеличивает стойкость к коррозии в соленой воде и кислотах, к износу и окалине некоторых металлов.
Науглероживание (цементация)
Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.
Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.
Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.
Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.
Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.
Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.
При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.
Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.
Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.
Ионный метод подразумевает катодное распыление.
Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.
Азотирование
Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.
С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.
Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.
Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.
Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.
Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.
При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.
Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.
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.
Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.
Сульфидирование, сульфоцианирование
Это новая химико-термическая технология, направленная на улучшение износостойкости.
Первый метод состоит в насыщении материала серой и азотом путем нагрева в серноазотистых слоях.
Сульфоцианирование подразумевает насыщение углеродом, помимо названных элементов.
Применение химико-термической обработки стали
Химико-термическая обработка стали – это процесс, при котором происходит изменение не только поверхностных слоев, но и химического состава и структуры металла. Применяют данный вид обработки в ситуациях, когда возникает необходимость получения твердой детали, износоустойчивой и при этом сохраняющей вязкость сердцевины. Отличительные признаки такого металла – стойкость к коррозии, повышенная степень сопротивления.
Характеристика химико-термической обработки
Сущность данного вида обработки стали заключается в том, что химический состав поверхностного слоя меняется искусственным путем. Цель процедуры – увеличение степени прочности поверхности и износостойкости детали.
Состав поверхности изменяется благодаря тому, что в него проникают разные элементы. Это приводит к изменению свойств металла. Осуществляется химико-термическая обработка посредством помещения детали в среду, которая содержит в себе атомы вещества, необходимые для покрытия стального листа. Складывается термическая обработка из трех этапов:
Первый этап – диссоциация – осуществляется посредством создания газовой среды и включает такие процессы, как разложение молекул определенного соединения и образование атомов, проявляющих активность в отношении стальной детали. В процессе адсорбции сталь поглощает свободные активные атомы, находящиеся в газовой смеси или растворе.
Третий этап, получивший название диффузионной металлизации стали, заключается в проникновении атомов, подвергшихся адсорбции, вглубь металла. Воздействия внешних сил на этом этапе нет. Процесс осуществляется за счет теплового движения атомов вещества. Если три этапа химико-термической обработки выполнены без ошибок, то полученный слой покрытия будет прочным.
Виды химико-термической обработки
Самые распространенные виды обработки стали:
Насыщая сталь указанными элементами, можно добиться повышения прочности и поверхности с увеличением срока службы элемента.
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:
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:
Газовая цементация достаточно экономична в сравнении с использованием твердых и жидких карбюризаторов.
Азотирование стали
При азотировании поверхностный слой стальной детали насыщают кислородом. Промышленное применение данный способ получил практически 100 лет назад, в 20-е годы XX века. Азотирование детали – это отличный способ повысить не только твердость изделия, но и его коррозионную стойкость.
Азотирование стали осуществляется посредством погружения детали в печи, которые герметично закрывают. Туда подают аммиак, который при нагреве распадается на азот и водород. В процессе данной реакции атомы азота поглощаются слоем поверхности стали и проникают внутрь детали.
Важно, что если для азотирования использовать углеродистую сталь, то получающийся слой, как правило, достаточно хрупок. Для лучшего результата рекомендовано использовать такую сталь, в составе которой есть алюминий, хром, молибден или титан.
Насколько глубоким и прочным окажется слой, подверженный азотированию, сказать сложно. Этот фактор зависит от многих деталей:
Описываемая процедура не позволяет достигать нескольких целей одновременно, в отличие от цементации. Выделяют два вида азотирования.
Повышение прочности слоя поверхности стальной детали. Температура процесса – до 560 ОС, средняя толщина слоя – 0,5 мм. Продолжительность операции может достигать одних суток.
Повышение степени устойчивости к коррозии. Оптимальная температура – от 650 до 700 ОС. Продолжаться антикоррозийное азотирование может до 10 часов. Толщина слоя, образующегося в процессе – 0,3 мм.
Процесс азотирования стали могут проходить только полностью готовые изделия, которые прошли через этапы термической и механической обработки. Структура сорбита внутри изделия сохранена полностью, что обеспечивает повышение прочности и вязкости детали.
Цианирование стали
Данный процесс несколько отличается от цементации и заключается в том, что поверхностный слой стальной элемента насыщается не только углеродом, но еще и азотом. В промышленности используют высоко- и низкотемпературное цианирование, в то время как цементация не позволяет производить несколько видов операций.
Высокотемпературное цианирование
Основная задача данного процесса – сделать деталь более твердой, износостойкой. Осуществляется манипуляция в ваннах, которые наполняют нейтральными солями: BaCl2, NaCl, Na2CO3 и некоторыми другими. Роль карбюризаторов выполняют соли KCN и NaCN, действующее вещество которых – циан. Он способствует тому, что стальная деталь насыщается азотом и углеродом. Процесс осуществляется при температуре до 900 ОС.
Чтобы слой, подвергнутый цианированию, стал максимально прочным, детали закаливают или в масле, или в воде, в течение полутора часов. Чтобы количество циана не уменьшалось (он постепенно выгорает), в ванну добавляют маленькие порции цианистых солей.
Низкотемпературное цианирование
Данный процесс уместен в том случае, если деталь должна соответствовать критериям повышенной прочности, износостойкости. Температура, необходимая для достижения поставленных целей, находится в диапазоне от 550 до 570 ОС (быстрорежущая сталь) и 510–520 ОС (высокохромистая сталь).
Осуществляется процедура в соляной ванне, содержимое которой представляет собой равные доли NaCN и KCN. Глубина полученного слоя – от 0,01 мм (при продолжительности цианирования в 10 мин) до 0,06 мм (при длительности процесса до 60 минут).
Борирование стали
Обработка стальной детали бором осуществляется при температуре в 900–950 ОС. Цель процедуры – повышение стойкости к износу и прочности детали. Толщина слоя может составлять от 0,05 до 0,15 мм. Он обладает отличными показателями стойкости к воздействию различных абразивных веществ, не поддается коррозии. Чаще всего борирование уместно в том случае, если необходимо придать прочность штамповому оборудованию или буровому инструменту.
Насыщение поверхностного слоя атомами такого металла, как бор, происходит при нагревании. Слой покрытия может быть как одинарным, так и двойным. Борирование бывает газовым, электролизным или жидким.
Газовое борирование. Процедура имеет много общего с цементацией или азотированием. Осуществляется она в камере печи. В качестве среды используется диборан, треххлористый бор, триметил. Данные вещества разбавляют:
Температура, при которой происходит насыщение – 900 ОС, время воздействия – 2–6 ч. Толщина полученного боридного слоя составляет 0,1 или 0,2 миллиметра.
Электролизное борирование. Данная технология в большинстве ситуаций применяется при электролизе расплавленной буры. Температура в ванне достигает 950 ОС, длительность выдержки – до 6 часов. Детали, поверхностный слой которых подвергли борированию, служат катодами, монтируемыми на подвески.
Жидкостное борирование. Сталь насыщается бором посредством расплавленных солей NaCl, BCl2, возможно использование добавок – карбида брома или ферроброма.
Технология борирования обладает явно выраженным преимуществом перед цементацией и другими видами химико-термической обработки стали, у нее самые высокие показатели прочности поверхности.
Газовое силицирование
В процессе такого вида цементации, как силицирование, верхний слой стали насыщают кремнием, который делает деталь стойкой к воздействию кислот, износостойкой, жаростойкой. Силицирование может быть выполнено в одном из трех цементаторов.
Твердое силицирование. В качестве среды принято брать ферросицилий и шамот. Для сокращения количества времени можно добавить хлористый алюминий. Температуры такой цементации достаточно высоки – до 1200 ОС. Если выдержать деталь в течение 10 часов, то толщина слоя составит 0,7 миллиметра.
Жидкое силицирование. Для данного вида цементации используют хлористую соль, в которую добавлен ферросилиций. Температура выдержки – 1000 ОС.
Газовое силицирование. Обладает самым важным значением в промышленности. Процесс проходит весьма интенсивно. Температура выдержки может достигать 1050 ОС, время – от 2 до 6 часов, толщина слоя – до 1 миллиметра.
Важная особенность поверхностного слоя, который насыщен кремнием – пористая структура. Масло может немного изменить ситуацию, для этого деталь необходимо проварить в нем при температуре 200 ОС. Полученный материал будет довольно жаростойким и прочным.