Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Химико — термическая обработка металлов и сплавов

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Химико-термическая обработка

процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности деталей за счет насыщения ее различными химическими элементами

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Физические процессы ХТО

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Основными параметрами химико-термической обработки

В результате ХТО формируется диффузионный поверхностный слой, с определенным химическим и фазовым составом, структурой и свойствами.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов Химико-термическая обработка металлов и сплавов Химико-термическая обработка металлов и сплавов

ХТО применяют с целью

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

  • Цементация
  • поверхностное диффузионное насыщение низкоуглеродистой стали (до 0,25% С) углеродом
  • повышает твёрдость, износоустойчивость

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Термическая обработка после цементации

  • Все изделия подвергают закалке с низким отпуском.
  • Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Цементация стали применяется

  • зубчатых колес; «пальцев»; валов; осей; рычагов; «червяков»; деталей подшипников (крупногабаритных колец и роликов) и др.
  • зубчатых колес;
  • «пальцев»;
  • валов;
  • осей;
  • рычагов;
  • «червяков»;
  • деталей подшипников (крупногабаритных колец и роликов) и др.
  1. Азотирование
  2. процесс насыщения поверхности стали азотом
  3. увеличивает поверхностную твёрдость, износостойкость, миктротвердость и коррозионную стойкость стали

Схема установки для азотирования

шахтные, ретортные и камерные печи

  • 1 – шахтная печь;
  • 2 – баллон с аммиаком;
  • 3 – осушитель;
  • 4 – манометр;
  • 5, 6, 7 – вентили;
  • 8 – свеча,
  • 9 – термопара.  

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

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.
  • Цианирование
  • процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом
  • увеличивает износостойкость жаростойкость, коррозионную стойкость стали

После цианирования проводят закаливание и низкий отпуск

Применение цианирования

  • изделия из быстрорежущих сталей, что позволяет повысить твердость и устойчивость к износу их поверхностного слоя, а также сделать его более устойчивым к воздействию повышенных температур.
  1. Борирование
  2. диффузионного насыщения поверхности бором при нагреве и выдержке в химически активной среде
  3. увеличивает износостойкость, окалиностойкость, теплостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость стали

Методы и способы борирования

Увеличение срока службы борированных деталей машин и инструмента

  • штамповый инструмент холодной и горячей деформации – от 2 до 10 раз;
  • пресс-формы для прессования сыпучих материалов – в 2-3 раза;
  • волочильный и накатной инструмент – в 2-10 раз;
  • детали нефтяного оборудования – в 2-4 раза;
  • детали распыливающих форсунок в условиях производства минеральных удобрений – от 2 до 4 раз;
  • детали технологической оснастки – до 10 раз;
  • детали машин и механизмов, работающих в абразивных условиях – от 2 до 6 раз;
  • детали литьевых машин и пресс-форм для литья цветных металлов и сплавов – до 5 раз.
  • Силицирование
  • насыщении поверхности стали кремнием.
  • Увеличивает коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах, окалиностойкость изделий до 800-1000 °С, антифрикционные свойства
  • 24

Методы и способы силицирование

вакуумная электропечь для силицирования

Силицированию подвергают детали, используемые

  • в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности;
  • для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена;
  • детали из карбида кремния (SiC):
  • электрические нагреватели подшипники скольжения для нефтяной и химической промышленности, конструкционные детали и др.
  • электрические нагреватели
  • подшипники скольжения для нефтяной и химической промышленности,
  • конструкционные детали и др.
  1. Сульфидирование
  2. насыщение поверхности серой
  3. уменьшается коэффициент трения, улучшает приработку трущихся поверхностей деталей, улучшается адсорбция масла на поверхности трущихся изделий, предотвращается схватывание и задиры при резании
  • Сульфоцианирование
  • насыщение поверхности ферро­сплава серой, азотом и углеродом
  • является средством повышения износостойкости деталей из черных металлов, увеличивает твердость, сопротивление усталости и снижает пластичность

Применение сульфидирования и сульфоцианирования

  • цилиндровые втулки, поршни и кольца ДВС, компрессоров и паровых машин;
  • стальные подшипники скольжения;
  • кулачки сцепных муфт, гайки ходовых винтов, детали подвижных частей,
  • чугунные червячные колеса.
  1. Фосфатирование
  2. обработка металла фосфорнокислыми солями для появления на поверхности защитной пленки
  3. увеличивается износостойкость, твердость и защита от коррозии, адгезия (сцепляемость) металла с лакокрасочными материалами
  4. 30

Фосфатированию подвергаются:

  • чугун, низколегированные, углеродистые стали, кадмий, цинк, медь и её сплавы, алюминий.

Гидроабразивное фосфатирование один из лучших способов защиты металла от коррозии

Диффузионная металлизация

  • химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными металлами: алюминием, хромом, никелем, титаном, цинком и др.

Диффузионную металлизацию можно проводить в:

– процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах ( 1000…1200 o С ) в течение длительного времени

  • Алитирование (алюминирование)
  • покрытие поверхности стальных деталей алюминием
  • защита от окисления при высоких температурах (700—900 °C и выше) и высокое сопротивление атмосферной коррозии
  • 33

Применение алитирования (алюминирования)

  • при изготовлении клапанов автомобильных двигателей, лопаток и сопел газовых турбин, деталей аппаратуры для крекинга нефти и газа, труб пароперегревателей, печной арматуры, защиты от коррозии металлоконструкций и т. п.
  1. Хромирование
  2. диффузионное насыщение или процесс осаждения на поверхность детали слоя хрома из электролита под действием электрического тока
  3. для снижения трения, повышения износостойкости, повышения коррозионной стойкости к воде, морская воде и азотной кислоты, окалиностойкость до 800 °C
  4. 35

Применение хромирования

  • пары трения, работающие на износ в агрессивных средах:
  • поршневые кольца, зеркало цилиндра ДВС, детали пароводяной арматуры, клапанов, вентилей,
  • поршневые кольца, зеркало цилиндра ДВС,
  • детали пароводяной арматуры, клапанов, вентилей,
  • для наращивания сопрягаемой поверхности в случае прослабленной посадки.
  • Никелирование
  •   обработка поверхности изделий путём нанесения на них никелевого покрытия толщиной от 1 до 50 мкм
  • защищает изделия от коррозии в атмосфере, растворах щелочей и солей, а также слабых органических кислот
  • 37

Применение никелирования

  • металлические изделия из стали, меди, цинка, алюминия, реже марганца, титана, вольфрама или молибдена, а так же полимерных, керамических, стеклянных поверхностей.
  1. Титанирование
  2.   нанесение тонкого слоя титана на поверхность изделий для повышения коррозионной стойкости.
  3. повышения коррозионной, кислотостойкости и кавитационной стойкости, поверхностной твердости и износостойкости сталей, чугунов и цветных сплавов
  4. 39

Методы и способы титанирования

Применение титанирования

  • Формообразующий и режущий инструмент
  • Оцинкование
  • покрытие металла слоем цинка для защиты от коррозии.
  • Подходит для ровных или с небольшим изгибом поверхностей, не подверженных механическим воздействиям.
  • Толщина цинкового слоя зависит от температуры и продолжительности процесса цинкования и колеблется от 6 мкм до 1,5 мм.
  • 42

Виды цинкования

Оцинкованный прокат

Применение оцинкованных изделий

Источник: https://multiurok.ru/files/khimiko-termicheskaia-obrabotka-metallov-i-splavov.html

Электрохимическое и химико термическое воздействие на металлы и сплавы с целью их обработки

Металлообработка – это комплекс технологических процессов изменения размеров, формы и качественных характеристик металлов и сплавов. К ним относятся токарная обработка металла, термическая и химико термическая, электрофизическая, электрохимическая и многие другие виды металлообработки.

Термический метод

Термообработка изделий заключается в изменении структуры материала под воздействием:

  • нагрева до определенной температуры;
  • изотермической выдержки;
  • охлаждения с определенной скоростью.

В зависимости от режимов проведения работ металла конечным результатом операции может быть:

  • упрочнение;
  • разупрочнение;
  • стабилизация.

Химико-термическая обработка металлов и сплавовИзменение структуры путем теплового воздействия

Виды термической обработки металлов и сплавов:

  • отжиг – заключается в нагреве изделия или заготовки с последующим охлаждением в печи для термической обработки металлов. В результате операции снимаются остаточные внутренние напряжения, повышается пластичность и уменьшается твердость стали;
  • закалка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической и последующим быстром охлаждении. В результате закалки прочность материала повышается, а пластичность падает;
  • отпуск – заключается в нагреве закаленной стали до заданной температуры, выдержке и охлаждении на воздухе (только сталь, склонную к отпускной хрупкости, охлаждают в воде). Отпуск является окончательной операцией термообработки. В результате этой операции снимаются (или уменьшаются) внутренние напряжения, деталь становится менее хрупкой и более пластичной. Отпуск бывает низким, средним и высоким;
  • нормализация – заключается в нагреве с последующим охлаждением на воздухе. Эта операция более быстрая и экономичная, чем отжиг, так как не требует охлаждения вместе с печью;
  • старение – заключается в форсированном изменении свойств материала, которое в природе происходит в течение длительного времени;
  • воздействие холодом – заключается в выдержке закаленной детали, остывшей до 200С, в охладителях (сухой лед, жидкая азотная кислота и пр.). применяется для изготовления режущего инструмента с целью повышения стойкости и производительности, измерительного инструмента – для полной стабилизации размеров.

Процесс данного метода работ непрост. Наука материаловедение и термическая обработка металлов изучает глубинные загадочные процессы, происходящие внутри металла.

Химико термический метод

Химико термическая методика предназначена для изменения состава стали в определенном слое. К этой группе методов относятся:

  • цементация – обогащение углеродом (науглероживание) поверхностного слоя стали. С помощью этого метода получают изделие с комбинированными свойствами: мягкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем;
  • азотирование – обогащение поверхностного слоя азотом для повышения коррозионной стойкости, усталостной прочности изделия;
  • борирование – насыщение поверхностного слоя металла бором. Боридный слой придает изделию повышенную износостойкость особенно при сухом скольжении и трении. Кроме того борирование практически исключает схватываемость (или свариваемость) деталей в холодном состоянии. Борированные детали отличаются высокой стойкостью к кислотам и щелочам;
  • алитирование – насыщение алюминием. Применяется для придания стали стойкости к агрессивным газам (серный ангидрид, сероводород);
  • хромирование – насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование малоуглеродистых сталей практически не влияет на их прочностные характеристики. Хромирование сталей с более высоким содержанием хрома называется твердым хромированием, так как в результате операции на поверхности детали образуется карбид хрома, обладающий:
  1. высокой твердостью;
  2. окалиностойкостью;
  3. коррозионной стойкостью;
  4. повышенной износостойкостью;
  • Электрофизические методы обработки металлов
  • К этой группе относятся методы проведения работ с помощью электрического тока, электролиза в комбинации с физическим воздействием.

Электроэрозионный метод

В процессе электроэрозионной обработки металла импульсом электрического тока с поверхности детали вырываются частицы металла. Импульсы на столько короткие, что за это время успевает расплавиться и испариться лишь небольшое количество вещества. При этом тепло не распространяется вглубь детали.

Читайте также:  Электроискровой проволочный станок своими руками

К электроэрозионному методу относятся:

  • электроискровая обработка металлов;
  • электроимпульсная.

Электроискровой метод основан на применении искрового разряда. В канале разряда температура достигает 100000С, но время действия импульса мало. В результате можно получить хорошую поверхность.

Но метод этот не отличается высокой производительностью, а износ инструмента равняется объему снятого вещества.

Метод применяется для особо точной (прецизионной) подгонки мелких деталей, вырезки деталей твердосплавных штампов по контуру, прошивки маленьких отверстий.

Электроимпульсная обработка основана на применении импульсов дугового разряда. Температура в рабочей зоне достигает 4000 – 50000С, что дает возможность пользоваться большими мощностями (несколько десятков киловатт). В результате повышается производительность обработки материала.

Электрохимическая обработка

Этот способ основан на законах электрохимии. Существуют следующие электрохимические методы обработки металлов:

  • поверхностная обработка. Суть ее заключается в растворении материала (анода). Причем в первую очередь растворяются выступающие части поверхности. В результате она выравнивается;
  • размерная электрохимическая обработка. К этому методу относятся:
  1. анодно-гидравлическая обработка;
  2. анодно-механическая обработка.

Анодно-гидравлическая обработка основана на следующем свойстве металлов: скорость анодного растворения находится в прямой зависимости от расстояния между электродами.

При сближении электродов поверхность анода(заготовки) полностью повторяет контуры инструмента (катода). Но в результате процесса между катодом и анодом скапливаются побочные продукты, которые приходится оттуда удалять.

Это можно сделать прокачкой электролита. А можно применить комбинированный способ – анодно-механический.

Анодно-механическая обработка является комбинацией анодного растворения и эрозии внешнего слоя заготовки: к катоду присоединяется вращающийся диск, который механически удаляет окисную пленку с выступающих частей обрабатываемой поверхности.

Источник: https://elsvarkin.ru/obrabotka-metalla/elektroximicheskoe-i-ximiko-termicheskoe-vozdejstvie-na-metally-i-splavy-s-celyu-ix-obrabotki/

Химико-термическая обработка металлов — это… Что такое Химико-термическая обработка металлов?

Химико-термическая обработка (ХТО) — нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

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.

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.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже — сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

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:

  1. реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента);
  2. диффузия в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава;
  3. процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев — удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду;
  4. диффузия в насыщаемом сплаве;
  5. реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т.д.).

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:

  • поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.);
  • сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;
  • придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);
  • придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
  • облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

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).

Ссылки

  • Упрочнение поверхностей стальных деталей

Литература

  • Борисенок Г. В., Васильев Л. А., Ворошнин Л. Г. Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник. — М.: Металлургия, 1981. — 255 с.
  • Лахтин Ю. М., Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1985. — 424 с.

Источник: https://dal.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/513729

Химико-термическая обработка металлов и сплавов

  • Химико-термическая обработка (ХТО) — нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).
  • Химико термический метод
  • Химико термическая методика предназначена для изменения состава стали в определенном слое. К этой группе методов относятся:
  • цементация – обогащение углеродом (науглероживание) поверхностного слоя стали. С помощью этого метода получают изделие с комбинированными свойствами: мягкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем;
  • азотирование – обогащение поверхностного слоя азотом для повышения коррозионной стойкости, усталостной прочности изделия;

борирование – насыщение поверхностного слоя металла бором.

Боридный слой придает изделию повышенную износостойкость особенно при сухом скольжении и трении. Кроме того борирование практически исключает схватываемость (или свариваемость) деталей в холодном состоянии. Борированные детали отличаются высокой стойкостью к кислотам и щелочам;

алитирование — насыщение алюминием. Применяется для придания стали стойкости к агрессивным газам (серный ангидрид, сероводород);

хромирование – насыщение поверхностного слоя хромом. Хромирование малоуглеродистых сталей практически не влияет на их прочностные характеристики. Хромирование сталей с более высоким содержанием хрома называется твердым хромированием, так как в результате операции на поверхности детали образуется карбид хрома, обладающий:

  1. высокой твердостью;
  2. окалиностойкостью;
  3. коррозионной стойкостью;
  4. повышенной износостойкостью;
  5. Углеродистые стали
  6. Классификация углеродистых сталей
  7. Углеродистые стали классифицируют: — по структуре — по способу получения — по степени раскисления — по качеству
  8. — по назначению
  9. По структуре углеродистые стали подразделяют на: — доэвтектоидные (содержат менее 0,8% С) — эвтектоидные (0,8% С)
  10. — заэвтектоидные (С более 0,8%)
  11. По способу получения углеродистые стали разделяют на: — кислородно-конвертерные — мартеновские
  12. — электростали
  • По степени раскисления углеродистые стали бывают: — спокойные — полуспокойные
  • — кипящие
  • По качеству (качество определяется содержанием вредных примесей в стали) углеродистые стали разделяют на: — стали обыкновенного качества
  • — качественные стали
  • По назначению углеродистые стали разделяют на: — конструкционные
  • — инструментальные
  • Стали классификация сталей

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

99% всей стали — материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы — теплостойкие, нержавеющие, и т.п.

  1. Классификация сталей и сплавов производится:
  2. по химическому составу;
  3. по структурному составу;
  4. по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей);
  5. по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице;
  6. по назначению.
  7. Химический состав По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы:
  8. малоуглеродистые — менее 0,3% С;

среднеуглеродистые — 0,3…0,7% С;

высокоуглеродистые — более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Сr, Ni, Мо, Wo, V, Аl, В, Тl и др.

), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

низколегированные — менее 2,5%;

среднелегированные — 2,5…10%;

  • высоколегированные — более 10%.
  • Структурный состав Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:
  • в отожженном состоянии — доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
  1. в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный и аутенитный.
  2. К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.
  3. Классификация стали по содержанию примесей
  4. По качеству, то есть по способу производства и содё примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы Классификация сталей по качеству
Читайте также:  Горизонтально-фрезерные станки - устройство, описание, фото, видео
Группа S, % Р, %
Обыкновенного качества (рядовые) менее 0,06 менее 0,07
Качественные менее 0,04 менее 0,035
Высококачественные менее 0,025 менее 0,025
Особовысококачественные менее 0,015 менее 0,025

Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Примером данных сталей могут служить стали СтО, СтЗсп, Ст5кп. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.

Стали качественные

Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные (08кп, 10пс, 20). Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более стро-гих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.

Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода.

Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные

Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные — в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.

Стали особовысококачественные

Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.

  • Классификация стали по назначению
  • По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.
  • Конструкционные стали
  • Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
  • Строительные стали

К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям — их хорошая свариваемость. Например: С255, С345Т, С390К, С440Д.

  1. Стали для холодной штамповки
  2. Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08Ю, 08пс и 08кп.
  3. Цементируемые стали

Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 18ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГР).

Улучшаемые стали

К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению — термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором (ЗОХРА, 40ХР), хромоникелевые, хромокремниемарганцевые, хромоникельмолибденовые стали.

Высокопрочные стали

Высокопрочные стали — это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях — таких, как ЗОХГСН2А, 40ХН2МА, ЗОХГСА, 38ХНЗМА, ОЗН18К9М5Т, 04ХИН9М2Д2ТЮ.

Пружинные стали

Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости — кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР).

Подшипниковые стали

Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Автоматные стали

Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.)> обрабатываемых на станках-автоматах.

Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, а также свинца, что способствует образованию короткой и ломкой стружки, а также уменьшает трение между резцом и стружкой.

Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20, АЗО, А40Г, АС11, АС40, АЦ45Г2, АСЦЗОХМ, АС20ХГНМ.

Износостойкие стали

Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали — высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.



Источник: https://infopedia.su/3x68f7.html

38. Химико-термическая обработка стали. Назначение, виды и общие закономерности. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

38. Химико-термическая обработка стали. Назначение, виды и общие закономерности. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Химико-термической обработка (ХТО) – обработка с сочетанием термического и химического воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении, при котором происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (С, Т, В, Аl, Сг, Si, Т и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

  • ХТО металлов и сплавов как с целью их поверхностного упрочнения, так и для зашиты от коррозии повышает надежность и долговечность деталей машин.
  • ХТО включает основные взаимосвязанные стадии:
  • 1) образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;
  • 2) адсорбционно-образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

3) диффузионно-перемещение адсорбированных атомов внутри металла. Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя – материала детали у поверхности насыщения, отличающегося от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называется сердцевиной.

Общая толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины.

Эффективная толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до мерного участка, которое отличается установленным предельным номинальным значением базового параметра.

Базовый параметр диффузионного слоя – параметр материала, служащий критерием изменения качества в зависимости от расстояния от поверхности насыщения. Переходная зона диффузионного слоя – прилегающая к сердцевине внутренняя часть диффузионного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной толщин.

Этап ХТО – диффузия. В металлах при образовании твердых растворов замещения диффузия в основном происходит по вакансионному механизму. При образовании твердых растворов внедрения реализуется механизм диффузии по междоузлиям.

Цементация стали – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в карбюризаторе, проводят при 930–950 °C, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Для цементации используют низкоуглеродистые, легированные стали. Детали поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование.

Основные виды цементации – твердая и газовая. Газовая цементация является более совершенным технологическим процессом, чем твердая. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; упрощается термическая обработка деталей.

Термическая обработка необходима чтобы: исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя; получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины. После цементации термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Недостаток такой термообработки – сложность технологического процесса, возможность окисления и обезуглероживания.

Заключительная операция – низкий отпуск при 160–180 °C, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения и улучшающий механические свойства.

Азотирование стали – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде.

Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450–500 °C), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется до 200–225 °C. Азотирование чаще проводят при 500–600 °C.

Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Борирование – насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Борированию подвергают стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, тугоплавкие металлы и никелевые сплавы.

Силицирование. В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием повышаются коррозионная стойкость, жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов.

Хромирование – насыщение поверхности изделий хромом. Диффузионному хромированию подвергают чугуны, стали различных классов, сплавы на основе никеля, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта и метал-локерамические материалы. Хромирование производят в вакуумных камерах при 1420 °C.

Алитирование – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий алюминием с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости. При алитировании железа и сталей наблюдается плавное падение концентрации алюминия по толщине слоя.

Назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки.

39. Старение. Назначение, изменение микроструктуры и свойств сплавов при старении

Отпуск и старение – это разновидности термической обработки, в результате которой происходит изменение свойств закаленных сплавов.

Читайте также:  Пилорамы ленточные и дисковые: описания, фото, видео

Термин отпуск принято применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин старение – в случае закалки без полиморфного превращения (после такой закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор).

Цель отпуска стали – улучшение ее свойств. Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической.

  1. В отличие от отпуска после старения увеличиваются прочность, твердость, уменьшается пластичность.
  2. Главный процесс при старении – это распад пересыщенного твердого раствора, который получается в результате закалки.
  3. Таким образом, старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из пересыщенных твердых растворов встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин – линз. Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественное старение – это самопроизвольное повышение прочности (и уменьшение пластичности) закаленного сплава, которое происходит в процессе его выдержки при нормальной температуре. Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Твердые растворы при низких температурах чаще всего распадаются до стадии образования зон. Данные зоны являются дисперсными областями, которые обогащены избыточным компонентом.

Они сохраняют ту кристаллическую структуру, которую имел первоначальный раствор. Зоны носят название в честь Гинье и Престона.

При использовании электронной микроскопии данные зоны можно наблюдать в сплавах Al – Ag, которые имеют вид сферических частиц диаметром ~10А. Спалавы Al – Cu имеют зоны-пластины, которые имеют толщину

Источник: https://tech.wikireading.ru/16462

Химико-термическая и термомеханическая обработка металлов и сплавов

Химико-термическая обработка (ХТО). Представляет собой совокупность технологических процессов, приводящих к изменению химического состава, структуры и свойств поверхности металла без изменения состава, структуры и свойств его внутренней области.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей и заключается в насыщении поверхностного слоя изделия легирующими элементами.

Такой вид термообработки позволяет также придать изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и т. д.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия при повышенных температурах с насыщающей средой, содержащей легирующие элементы.

В зависимости от физико-химического состояния среды различают ХТО из газовой, жидкой, твердой или паровой фазы (чаще применяются первые два метода). Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки. Выбор легирующего элемента (или комплекса элементов) определяется требуемыми свойствами поверхности изделия.

Примерами ХТО могут служить следующие виды обработки: цементация — насыщение углеродом, азотирование — насыщение азотом, цианирование — насыщение углеродом и азотом, хромирование — насыщение хромом и др. Более подробно виды ХТО рассмотрены в гл. 13.

Химико-термической обработке подвергают изделия из стали, чугуна, чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия идр.

В основе методов ХТО лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии. При этом вблизи поверхности изделия при ХТО происходят физико-химические процессы:

  • • образование легирующего элемента в атомарном состоянии в результате химических реакций в насыщающей среде или на границе раздела среды с поверхностью металла при насыщении из газовой или жидкой фазы (например, азота по реакции 2NH3 -» 2N + ЗН2, углерода по реакции СН4 -» С + 2Нг и др.);
  • • сублимация диффундирующего элемента при насыщении из паровой фазы;
  • • захват (адсорбция) поверхностью металла атомов насыщающего элемента;
  • • диффузия адсорбированных атомов в поверхностные слои металла.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, а также структура и свойства диффузионного слоя зависят от метода ХТО.

Глубина диффузии элемента возрастает с повышением температуры и с увеличением продолжительности процесса.

Диффузионный слой, образующийся при ХТО, изменяет структурно-энергетическое состояние поверхности и оказывает положительное влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на объемные свойства изделий.

Возможен и обратный процесс — удаление элементов из поверхностного слоя, которое осуществляется в специальных средах.

Термомеханическая обработка (ТМО). Представляет собой совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения, производимых в различной последовательности.

В результате ТМО формирование окончательной структуры металла и его свойств происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дефектов кристаллического строения, созданных пластической деформацией.

Особенностью этого способа изменения свойств металлов и сплавов является сочетание операций обработки давлением и термической обработки.

Совмещение пластической деформации с фазовыми превращениями было впервые реализовано на практике в начале XX века в процессе производства стальной проволоки. Использование комбинированного воздействия пластической деформации и термической обработки привело к получению высоких механических свойств, которые были недостижимы при других способах упрочняющей обработки.

Источник: https://ozlib.com/824704/tehnika/himiko_termicheskaya_termomehanicheskaya_obrabotka_metallov_splavov

Химико-термическая обработка металлов

Химико-термическая обработка металлов и сплавов заключается в нагреве и выдержке их при высокой температуре в активных средах, в результате чего изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов.

Для создания такой среды используют твердые, жидкие и газообразные вещества, химический состав н свойства которых определяют изменение химического состава поверхностных слоев обрабатываемого металла. В промышленности широко применяют насыщение углеродом, азотом, совместное насыщение азотом и углеродом, хромом, алюминием.

Все шире применяют насыщение бором, кремнием, вольфрамом, а также совместное насыщение несколькими элементами.

Химико-термической обработке подвергаются самые различные металлы и сплавы для придания им специальных свойств: усталостной прочности, износо-, коррозийно- и жаростойкости и пр. За счет применения химико-термической обработки дефицитные металлы можно заменять на более дешевые, легируя соответствующим образом их поверхность.

Химико-термическая обработка применяется для тугоплавких металлов, металлокерамических конструкционных материалов и твердых сплавов. Ведутся работы по разработке агрегатов для этой обработки.

Продолжаются теоретические и экспериментальные исследования для создания научных основ управления процессами, происходящими при химико-термической обработке.

Химико-термическая обработка состоит из следующих стадий:

  1. образование активных веществ в окружающей среде или отдельном реакционном объеме;
  2. транспортировка веществ к поверхности металла, если они возникли в стороне от поверхности насыщаемого металла.
  3. абсорбция активных атомов или молекул поверхностью металла;
  4. отвод продуктов реакции в окружающее пространство;
  5. диффузия.

Абсорбционный процесс

Абсорбционный процесс может включать простую физическую абсорбцию, при которой полнатомиый абсорбционный слой на всей поверхности изделия или в ее активных участках образуется вследствие действия ваи-дер-ваальсовых сил притяжения. Возможна химсорбция с возиикновеиием сильных химических связей между абсорбированными атомами и атомами металлической поверхности.

Условием абсорбции является наличие растворимости и образование химического соединения. Имеются две точки зрения на первичные образования.

По первой вначале образуется химическое соединение, а затем идут процессы растворения и диффузии, по второй вначале происходит растворение абсорбирующих атомов, а затем возможно образование химического соединения. Экспериментально наблюдается второй случай.

Ускорение процесса

Для ускорения процессов химико-термической обработки перспективно применение электрического тока (электро-химико- термическая обработка ЭХТО): метод тлеющего разряда, метод цементации с применением ТВЧ, ТПЧ и электроконтактного нагрева.

Это позволяет повысить скорость процессов химико-термической обработки, во много раз сократить время (часто до нескольких минут). Применение ЭХТО позволяет управлять структурой диффузионного слоя, повышать его пластичность и работоспособность.

По методу тлеющего разряда электрический ток пропускается через слой частиц проводящих материалов, находящихся в недосжиженном состоянии, и изделие. Применение тлеющего разряда, например при азотировании, приводит к расщеплению молекулы азота. Образовавшиеся атомы азота абсорбируются поверхностью стали.

Метод тлеющего -разряда в небольшом размере применяется на практике и при других видах насыщения. Возникновение тлеющего разряда

Происходит при включении тока высокого напряжения (900 — 1100 В) между изделиями, которые служат катодом и крышкой (анодом). При этом в контейнере, где находятся изделия, поддерживается низкое давление (1 — 10 мм рт. ст.).

При использовании тлеющего разряда интенсифицируются химические -реакции в окружающей среде, ускоряются процессы абсорбции, хемсорбции, диффузии, изменяются активность и структурное состояние поверхностных слоев металла.

Диффузионное насыщение

Для диффузионного насышения металлов и сплавов применяют порошковый (твердофазный), жидкий (жидкофазный), безэлектролизный, электролизный, газовый (газофазный) методы. Разрабатывают также вакуумный, гальвано-диффузионный, шликерный методы (из паст и суспензий) в кипящем или виброкипящем слое, в тлеющем разряде и другие методы насыщения.

При твердофазном насыщении могут протекать два процесса: а) образование и доставка (перенос) активных атомов, насыщающих элементов через газовую фазу, заполняющую все зазоры между частицами порошковой смеси; б) твердофазная диффузия в местах контакта (плотного соприкосновения) частиц порошковой смеси с насыщаемым металлом.

Эффект насыщения зависит от размера частиц насыщающей порошковой смеси и активатора процесса. Скорость насыщения зависит от площади контактной поверхности взаимодействующих составляющих смеси и растет с повышением ее. Толщина слоя увеличивается с уменьшением размеров зерна.

Однако, вероятно, значение твердофазной диффузии при насыщении в порошковых смесях мало.

Перспективным методом диффузионного насыщения, особенно многокомпонентного, является электронно-лучевое напыление с последующим диффузионным отжигом Предварительно изготавливаются заготовки из материала, имеющего в своей' составе требуемые для насыщения элементы, затем при помощи электронной пушки напыляют на деталь слой, состоящий из; требуемых компонентов. Деталь с напыленным слоем отжигают для получения заданной глубины слоя.

Похожие материалы

Источник: https://www.metalcutting.ru/content/himiko-termicheskaya-obrabotka-metallov

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector