Силицирование стали: цель, технологии, применение

Главная / Справочник /  

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.

Общие сведения

Силицирование стали – процесс насыщения металлической поверхности кремнием. Он не получил значительное распространение в промышленности, но в большинстве случаев может использоваться для изменения отдельных качеств материала. Среди свойств этого процесса отметим такие моменты:

  1. Минусом силицирования стали считается то, что получить гомогенную поверхность, которая не будет иметь пор, как правило невозможно. Более того, очень и очень трудно достичь результата, при котором на поверхности материала концентрация кремния будет велика, а сам слой при этом станет иметь плотное сцепление с сердцевиной.
  2. Если силицирование проходит в плохо красочной обстановке, то на поверхности стали и прочих сплавов может возникать феррит.
  3. Очень большая насыщенность среды, в которой проходит химико-термическая обработка, оказывается основой увеличения хрупкости стали. При влиянии ударной нагрузки есть вероятность образования трещин и других недостатков.

Не обращая внимания на очень и очень много минусов этого способа обработки стали и прочих сплавов, он в наши дни стал часто используется заграничными металлургическими компаниями. Примером назовем силицирование тугоплавких металлов и титана.

Цель силицирования состоит в образовании кислостойкой поверхности, которая станет иметь самый маленький критерий пористости. По мимо этого происходит выборочное перестроение атомной решётки, благодаря чему повышаются качества стойкости к износу.

Этому процессу подвергают очень разные марки стали с невысоким и средним содержанием углерода. Также силицирование проходит для изменения параметров слоя поверхности деталей, которые делаются из ковкого или очень прочного чугуна, титана либо иных сплавов.

Бесчисленные исследования, которые направлены на изучение этого процесса, говорят о систематическом росте заинтересованности и возможном улучшении процесса силицирования. Но, на данный момент времени большинство применяемых тех. процессов не дают возможность получать заготовки отличного качества.

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:

Силицирование стали: цель, технологии, применение

Химико-термическая обработка стали

  • диссоциация;
  • адсорбция;
  • диффузия.

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.

Способ химико-термической обработки стальных изделий

Электролизное силицирование

Силицирование молибдена или стали может проходит при использовании электролизной технологии, которая учитывает применение который предназначен для химико-термической обработки оборудования. Составными элементами традиционного оборудования считаются:

  1. Печь-ванна, в которую погружается заготовка и подвергается нагреву.
  2. Система питания, которая может вырабатывать и подавать частые или электрические токи.
  3. Система автоматизированного контроля заданных режимов и температурной регулировки.

Силицирование стали: цель, технологии, применение

Микроструктура слоев ионного силицирования

В производственных условиях силицированию подвергают детали во время установки газовых или электрических печей, которые дают возможность достичь необходимой температуры для нагревания деталей.

При газовом силицировании температура среды работы может увеличиваться до температуры 1050 градусов по Цельсию.

По этому очень часто тигли делают из специализированой керамики, которая может выдерживать влияние столь большой температуры.

Среди свойств процесса производства отметим такие моменты:

  • Детали, которые будут подвергаться рассматриваемому способу обработки, устанавливаются в которые предназначены для этого емкостях. Для выполнения технологии материалы заготовки и устройства должны контактировать.
  • Проходит заполнение тигля расплавом с кремнием.
  • Проходит организация электрохимической защиты от коррозии.
  • В качества анодов применяются стержни, изготавливающиеся из угля или графита.
  • Заготовка заранее высушивается, после этого медленно опускают в расплав.
  • Проверив надежность крепления всех компонентов проходит подача тока.
  • В зависимости от того, каким составом предоставлен применяемый электролит нагрев среды проходит до температуры 950-1100 градусов по Цельсию, время выдержки составляет 3-5 часов.

По окончанию процесса насыщения ток электролиза выключается, после этого детали вынимаются и подвержены последующей отделке, очень часто, закалке. Охлаждение деталей проходит на чистом воздухе, после этого в первую очередь выполняют промывку поверхности.

При насыщении кремнием поверхности обрабатываемых деталей рассматриваемым методом необходимо учесть, что размеры могут изменяться. Собственно поэтому после окончания силицирования часто проводят шлифовку поверхности.

В качестве красочной среды могут применяться щелочные металлы и силикаты, часто в состав прибавляются хлориды и фториды, а еще вещества, которые увеличивают текучесть применяемых силикатов.

К положительным качествам этого способа отнесем такие моменты:

  1. Небольшой период выдержки и возможность одновременной обработки нескольких деталей формируют хорошую производительность.
  2. Организовать процесс обработки очень просто.
  3. Низкая цена веществ, которые применяются для получения среды.
  4. Имеется возможность получить одинаковый насыщенный слой.
  5. Метод замечательно подойдет для использования в массовом производстве.

Минус заключается только в трудности подготовки среды.

Ñîãëàøåíèå îá èñïîëüçîâàíèè ìàòåðèàëîâ ñàéòà

Ïðîñèì èñïîëüçîâàòü ðàáîòû, îïóáëèêîâàííûå íà ñàéòå, èñêëþ÷èòåëüíî â ëè÷íûõ öåëÿõ. Ïóáëèêàöèÿ ìàòåðèàëîâ íà äðóãèõ ñàéòàõ çàïðåùåíà.

Äàííàÿ ðàáîòà (è âñå äðóãèå) äîñòóïíà äëÿ ñêà÷èâàíèÿ ñîâåðøåííî áåñïëàòíî. Ìûñëåííî ìîæåòå ïîáëàãîäàðèòü åå àâòîðà è êîëëåêòèâ ñàéòà.

Жидкостное силицирование деталей

Технология силицирования в жидкости значительно проще, если сравнивать с приведенным выше методом. Процесс увеличения стойкости к износу и стойкости к кислоте в этом случае имеет следующие характерности:

  • Изобилие может проходит в печах фактически в самой разной конструкции, что значительно уменьшает расходы на шаге организации производства. Могут применяться печи, которые подойдут для проведения ионного силицирования.
  • Процесс насыщения в этом случае может проходит при температуре от 900 до 1100 градусов по Цельсию. Время выдержки составляет 2-10 часов. После выгрузки деталей из ванной они должны охлаждаться или подвергаться закалке.
  • Среди свойств этого процесса необходимо отметить то, что при нагревании среды могут возникать газы, для отведения которых следует ставить вентиляционные вытяжки с бортовым отсосом.
  • В качестве среды работы применяется состав, который построен на смешивании силикатных щелочных и разных добавок, активных восстановительных веществ. Создаваемая жидкость очень часто может применяться еще раз.
  • На величину слоя поверхности оказывает влияние соотношения концентрации ключевых реагирующих веществ.

Силицирование стали: цель, технологии, применение

  • Микроструктура чугуна при жидкостном силицировании
  • Для достижения требующегося состояния слоя поверхности что после силицирования проводят закалку стали с дальнейшей шлифовкой для устранения очень разного рода недостатков.
  • Преимущества приведем перечислением следующих параметров:
  • Применяемое оборудование обладает многофункциональностью.
  • Технология проста в применении.
  • Достигается большое качество поверхности даже замысловатых форм.
  • Равномерность получаемого слоя.
  • Относительно низкая температура проводимого процесса.
  • Низкая стоимость применяемой среды.

Такой способ получил высокое распространение в промышленности.

Îòïðàâèòü ñâîþ õîðîøóþ ðàáîòó â áàçó çíàíèé ïðîñòî. Èñïîëüçóéòå ôîðìó, ðàñïîëîæåííóþ íèæå

Ñòóäåíòû, àñïèðàíòû, ìîëîäûå ó÷åíûå, èñïîëüçóþùèå áàçó çíàíèé â ñâîåé ó÷åáå è ðàáîòå, áóäóò âàì î÷åíü áëàãîäàðíû.

Силицирование в порошкообразных смесях

Насыщенная среда может быть представлена порошком с самыми разными веществами, которые имеют в составе кремний. Для того чтобы в период выполнения обработки деталей смесь не спекалась в ее состав добавляют и остальные примеси: окись магния, шамот, окись алюминия и остальные.

Значительно сделать быстрее процесс обработки в состав добавляется 1-5% хлористый аммоний или другие энергичные добавки. Важное требование использования порошкообразного вещества – все элементы обязаны быть измельчены чтобы получить однородную массу.

В другом случае нельзя обеспечить однородность насыщения слоя поверхности детали.

Среди свойств этой технологии отметим:

  • Обработка может проходит в защитных контейнерах или вакууме. Наиболее обыкновенный способ состоит в применении специализированного закрытого бокса с очень высокой герметичностью, во время изготовления которого применяют сплав, обладающий тугоплавкостью.
  • Цель силицирования состоит в получении гомогенной поверхности, которая будет владеть очень высокой устойчивостью к износу. Результат может зависеть от степени герметичности контейнера.
  • Силицирование стали может проходит в печи фактически самой разной конструкции, основное обеспечить нагрев среды до необходимой температуры.
  • Силицирование титана в упаковочном контейнере идет при температуре 1000-1200 градусов по Цельсию. Время выдержки подбирается в согласии с тем, какой толщины необходимо получить слой с очень высокой концентрацией кремния.
  • Как только процесс обработки был закончен контейнер достается из печи и охлаждается на воздухе. Изделие после извлечения необходимо почистить от смеси, после отлично вымыть и высушить. Раньше применяемый состав при еще одном применении обновляется приблизительно на 15%.
  • Проводя силицирование молибдена и сталей необходимо брать во внимание тот фактор, деталь и применяемая смесь должны отлично контактировать. Величина контактной поверхности и размер частиц влияют на то, как хорошо пройдёт силицирование тугоплавких металлов и титана, а еще стали.

Анализируя силицирование во время использования порошкообразной среды необходимо учесть, что этот способ один из наиболее доступных на данное время.

Хорошими качествами назовем такие моменты:

  • Маленькая цена порошка дает возможность уменьшить отпускная цена приобретаемых деталей.
  • Равномерность покрытия которое получается увеличивает рабочие качества.
  • Простота технологии уменьшает денежные растраты.

Силицирование стали: цель, технологии, применение

Вакуумная печь для силицирования

Таким образом меняют свойства деталей.

Ïîäîáíûå äîêóìåíòû

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

Силицирование стали: цель, технологии, применение

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

Силицирование стали: цель, технологии, применение

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).

Читайте также:  Удельный вес: формула, расчет, единицы измерения

Важно, что соли циана – это яд, поэтому ванны, наполненные подобными веществами, всегда изолированы и закрыты защитными колпаками. Обязательно использование отсасывающей вентиляционной системы.

Газовое силицирование

Силицирование стали: цель, технологии, применение

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.

Силицирование стали: цель, технологии, применение

Газовое силицирование

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.

Видео по теме: Термическая обработка металла закалка и отпуск

Борирование стали

Силицирование стали: цель, технологии, применение

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:

  • Аргоном.
  • Аммиаком.
  • Азотом.
  • Водородом.

Силицирование стали: цель, технологии, применение

Борирование стали

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.

Поделитесь в соц.сетях:

Источник: https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/primenenie-himiko-termicheskoy-obrabotki-stali.html

Силицирование

Силицирование стали: цель, технологии, применение

Перейти к загрузке файла
Силицирование — процесс насыщения поверхностного слоя детали кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкое™. Силицированию подвергают детали из низко- и сред-неуглеродистых сталей, а также из ковкого и высокопрочного чугунов. Силицирование проводят в порошкообразных смесях, газовых и жидких средах. При силицировании в порошкообразных смесях (75% ферросилиция, 20% глинозема или каолина и 5% хлористого аммония) детали нагревают в стальных ящиках. Температура сили-цирования 1100—1200° С, выдержка 2—12 ч; оно протекает медленно (слой толщиной 0,1 мм получается после выдержки в течение 4 ч при 1100° С). В связи с длительностью процесса силицирование в порошкообразных смесях применяют редко. Далее протекают реакции Образовавшийся атомарный кремний диффундирует в поверхность деталей. После силицирования детали охлаждают вместе с ретортой в потоке хлора до 200—100° С, а затем содержимое реторты высыпают на сетку, где детали окончательно охлаждаются. При газовом силицировании насыщение кремнием происходит интенсивно — слой толщиной 1 мм получается после выдержки в течение 2 ч при 1050° С. Силицирование в жидких средах проводят в расплаве солей При температуре 1000° С в течение 2 ч толщина слоя на детали из низкоуглеродистой стали получается 0,35 мм. Этот процесс промышленного применения не имеет. Микроструктура силицированного слоя представляет собой твердый раствор кремния в а-железе. Количество кремния в поверхностных зонах слоя достигает 14%; чем глубже расположена зона, тем меньше кремния. В зоне, расположенной непосредственно за силицированным слоем, содержание углерода повышено по сравнению с содержанием углерода в сердцевине (рис. 1). Это объясняется оттеснением углерода в глубь детали в связи с его плохой растворимостью в кремнистом феррите. Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Несмотря на низкую твердость (НV 250—300), сили-цированный слой весьма хрупкий, очень плохо обрабатывается режущими инструментами, но обладает повышенной стойкостью против истирания, особенно после проварки в масле при 150— 200° С (масло впитывается в поры и служит смазкой при трении), Силицированный слой обладает высокой коррозионной стойкостью в обычной и морской воде и кислотостойкостью в азотной, серной и соляной кислотах. Силицирование повышает также жаростойкость стали до 700—750° С.
В зависимости от химического состава сталей, размером поковок и требований, предъявляемых к готовым деталям машин, в кузницах возможно применение следующих видов термической обработки сталей. Отжиг состоит в нагреве сталей до определенной температуры, выдержке и затем очень медленном охлаждении, чаще всего вместе с горном или печью.

  • 1. Нагрев стали для отжига проводится в кузнечном горне или печи. Для того чтобы при нагреве в горне не допустить выгорания углерода с поверхности стали, поковки укладывают в металлические ящики, пересыпают их сухим песком, древесным углем или металлической стружкой и нагревают до температуры, необходимой для отжига данной марки стали. Продолжительность нагрева принимают в зависимости от размеров поковок — примерно по 45 минут на каждые 25 мм наибольшей толщины поперечного сечения. Нагрев выше температуры для отжига и длительная выдержка при этой температуре недопустимы, так как возможно образование крупнозернистой структуры, что резко уменьшит ударную вязкость металла.
  • 2. Охлаждение поковок можно осуществлять несколько быстрее, чем вместе с горном и печью, если воспользоваться следующими рекомендациями. Углеродистые качественные конструкционные стали следует охлаждать приблизительно до 600 °С на воздухе с целью получения мелкозернистой структуры, а затем, чтобы избежать возникновения внутренних напряжений, охлаждение осуществлять медленно в печи или в ящике с песком или золой, установленном в горне. Инструментальные углеродистые стали следует охлаждать в печи или горне до 670 °С, а затем скорость охлаждения можно ускорить, открыв заслонки печи и удалив топливо из горна.

Рис. 3. Диаграмма состояния железо — углерод для определения температуры нагрева сталей при термической обработке

В зависимости от цели изменения структурных превращений (диаграмма состояния показана на рисунке) применяют следующие разновидности отжига.

  • 1. Полный отжиг

Источник: https://studwood.ru/1787103/tovarovedenie/silitsirovanie

Химико-термическая обработка стали

  • Химико-термической обработкой  называют процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев и металла.
  • Такая обработка применима к деталям, от которых требуется твердая и износоустойчивая поверхность при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины, высокая коррозионная стойкость, высокое сопротивление усталости.
  • Химико-термическая обработка стали основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами.
  • Наиболее распространенными видами химико-термической обра­ботки стали являются: цементация — насыщение поверх­ности стальных деталей углеродом; азотирование — насыщение поверхности стальных деталей азотом; цианирование — одновремен­ное насыщение поверхности стальных деталей углеродом и азотом.

Кроме этих основных видов хи­мико-термической обработки, в про­мышленности применяют также поверхностное насыщение стали метал­лами: алюминием, хромом, кремнием и др. Процесс этот называется диф­фузионной металлизацией стали.

Цементация.  

Цементация — про­цесс поверхностного насыщения сталь­ных деталей углеродом. Цель цементации получить детали с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Такие детали во время работы не разрушаются от уда­ров и хорошо сопротивляются истиранию.

Цементации подвергают детали из углеродистой и легированной стали с содержанием угле­рода от 0,08 до 0,35%. Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, — карбюризаторы — могут быть твер­дыми,   жидкими и газообразными.

Цементация в твердом карбюризаторе производится путем на­грева деталей, упакованных в железные ящики (рис. 68) вместе с карбюризатором.

Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (70%), углекислого бария ВаСO3 (20—25%) и углекислого кальция СаСO3 (3—5%).

Температуру цементации принимают на 20—50° выше точки АC3 . Температура до 920—930° С позволяет почти в два раза сократить длительность процесса без ухудшения механических свойств стали. Насыщение стали углеродом происходит путем непосредственного соприкосновения частиц угля с поверхностью стальных деталей в газовой среде, которая служит передатчиком углерода.

При пра­вильном подборе карбюризатора содержание углерода в поверх­ностном слое не превышает 1,0—1,10%, что можно считать нормальным. Продолжительность цементации — от 5 до 15 и более часов в зависимости от глубины науглероживания и марки стали.

Для це­ментации могут быть использованы самые разнообразные печи — камерные, непрерывного действия, с вращающейся ретортой, обо­греваемые мазутом, газом или электрические.

Жидкостной  цементации подвергают мелкие изде­лия; их погружают в расплавленные соляные ванны, состоящие из 75-85% Na2CO3 (сода), 10-15% NaCl(поваренная соль) и 6—10% SiC(карбид кремния).

Газовая  цементация в окиси углерода СО впервые была применена П. П. Аносовым.

Сущность ее состоит в том, что цементируемые изделия нагревают и выдерживают при температуре 920—950° С в печи, куда в течение всего процесса непрерывно по­дается цементирующий газ.

Для этой цели используют природный газ, состоящий в основном из метана СН4, или искусственные газы, получаемые в результате разложения (пиролиза) нефтепродуктов— керосина, различных масел, бензола, пиробензола и др. Основной составляющей искусственных газов также является метан СН4.

Детали загружают в муфельные печи, в которые вводят цемен­тирующие газы. При газовой цементации продолжительность про­цесса сокращается в 2—2,5 раза. Так, для получения цементован­ного слоя глубиной 1,0—1,2 мм требуется затратить 4—5 часов.

Кроме этого, газовая цементация обладает и другими преимущест­вами: возможностью регулировать процесс за счет изменения коли­чества и химического состава подаваемого газа: отсутствием гро­моздкого оборудования и угольной пыли; возможностью произво­дить закалку непосредственно из печи.

Процесс газовой цементации более экономичен.

Азотирование.

Азотированием называется насыщение поверх­ности стали азотом. Основоположником азотирования стали явля­ется русский ученый проф. Н. П. Чижевский, который впервые ис­следовал и применил этот процесс. Для азотирования используют аммиак NH3.

Сущность азотирования заключается в том, что ам­миак при температуре 500—750° С разлагается на азот и водород, и активные атомы азота (атомарный азот), диффундируя в поверхност­ный слой, сообщают поверхности стали большую твердость, не влияя на механические свойства сердцевины деталей.

В промыш­ленности для изготовления деталей, подлежащих азотированию, в настоящее время широко применяют сталь марки 35ХМЮА или ее заменитель 35ХВФЮА. После окончательной механической обра­ботки детали закаливают от температуры 960° С с охлаждением в воде или в масле и подвергают отпуску при 600° С также с охлаждением в воде или в масле.

Затем детали азотируют. Продолжитель­ность азотирования от 12 до 60 и даже до 90 часов в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя и характера процесса.

Читайте также:  Химико-термическая обработка стали, металлов и сплавов: виды, назначение

Длительность выдержки деталей в потоке аммиака в печи влияет на глубину азотированного слоя. В среднем при 500° С азот за каж­дые 10 часов диффундирует на глубину 0,1 мм.

На практике для сокращения времени азотирования процесс ведут путем ступенча­того нагрева: вначале в течение 12—15 часов при температуре 500— 520° С; затем температуру поднимают до 550—600° С и дают выдерж­ку 15—20 часов.

При таком режиме длительность процесса удается сократить в 2,0—2,5 раза. В результате азотирования твердость стали достигает НВ 1000—1100; последующей термической обработ­ки не требуется.

Азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: она дает незначительное изменение размеров деталей, обеспечивает бо­лее высокую твердость и износоустойчивость (при нагреве до тем­пературы 500—550° С твердость азотированных деталей не снижа­ется); сообщает деталям хорошую сопротивляемость действию пе­ременных нагрузок, высокий предел выносливости и коррози­онную стойкость. Недостаток азотирования — длительность про­цесса.

Азотирование применяют в машиностроении для получения вы­сокого качества дизельной аппаратуры, измерительного инстру­мента, зубчатых колес и др.

Цианирование — процесс одновременного насыщения поверх­ности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости.

Одновременное присутствие в среде углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои стали. Такими средами могут быть расплавленные цианистые соли (жидкостное цианирова­ние), науглероживающие и азотирующие газы (газовое цианирова­ние), твердые порошки и пасты (твердое цианирование). Цианирова­нию подвергают углеродистые и легированные стали.

Существует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное  цианирование при­меняют для деталей из углеродистой и легированной стали с содер­жанием углерода 0,3—0,4% с целью получения твердого, хороша сопротивляющегося истиранию поверхностного слоя и вязкой серд­цевины.

Такое цианирование проводится при температурах 780— 930° С, т. е. выше точки ЛГ1, когда сталь находится в состоянии аус-тенита и преобладает процесс насыщения ее углеродом.

Этот вид цианирования широко применяют на автомобильных заводах для зубчатых колес и различных мелких деталей.

Низкотемпературное  цианирование при­меняют для инструментов из быстрорежущей стали при температу­рах 500—600° С, т. е. ниже точки AC1, когда преобладает процесс насыщения стали азотом, с последующим медленным охлаждени­ем цианированного инструмента.

В последнее время на заводах вводится новый процесс циа­нирования — газовое цианирование, или нитроцементация. Газо­вое цианирование занимает промежуточное положение между газо­вой цементацией и азотированием и поэтому иногда называется нитроцементацией.

При газовом цианировании детали нагреваются в смеси газов, содержащих углерод и азот. Для этой цели используют смесь окиси углерода СО и аммиака ΝΗ3.

При их химическом взаимодействии образуются активный углерод и азот.

В последнее время газовое ци­анирование (нитроцементацию) производят в печах, оборудованных для газовой цементации, путем введения в рабочее пространство этих печей бензола или пиробензола.

Диффузионная металлизация.

Кроме указанных процессов на­сыщения поверхности стали углеродом и азотом, широко применяют насыщение стали алюминием, хромом, кремнием и др. Этот про­цесс применяют главным образом с целью получения стальных дета­лей, устойчивых против разъедания щелочами и кислотами, а так­же с целью повышения устойчивости стали против окисления горячи­ми печными газами, т. е. против окалинообразования.

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости. Алитированию подвергают главным образом мало­углеродистые стали.

Процесс алитирования может происходить в твердой, жидкой и газообразной средах. Наиболее распространен способ алитирования в твердой среде.

Детали, подлежащие алити­рованию, укладывают в железные ящики со смесью, состоящей из 49% порошка алюминия, 49% окиси алюминия и 2% хлористого аммония. Укладывать детали в ящики следует так же, как при це­ментации в твердом карбюризаторе.

Ящики плотно закрывают крыш­ками, обмазывают огнеупорной глиной, погружают в печь и на­гревают в течение 5—10 часов при температуре от 900 до 1100° С. За это время образуется алитированный слой глубиной 0,3—1,0 мм.

После алитирования детали подвергаются диффузионному от­жигу при температуре около 1000° С с выдержкой 4—6 часов. В ре­зультате отжига содержание алюминия в поверхностном слое сни­жается, что уменьшает хрупкость алитированного слоя.

При алитировании в жидкой среде в стальном тигле расплавля­ют алюминий, насыщенный 6—8% железа, и в него погружают де­тали. Алитирование производится при температуре 750—800° С в течение 50—90 минут. Такая выдержка обеспечивает получение слоя глубиной 0,2—0,35 мм.

При газовом алитировании изделие вместе с порошком ферро­алюминия погружают в реторту и пропускают хлористый водород. После обменных реакций, протекающих при температуре 850 — 1000° С, атомарный алюминий диффундирует в поверхностные слои деталей.

Процесс газового алитирования длится обычно не более 4 часов. За это время можно получить алитированный слой глубиной 0,4 мм. После окончания процесса как жидкого, так и газового алитирова­ния рекомендуется производить диффузионный отжиг.

Диффузионным хромированием называют процесс насыщения поверхности стали хромом. Хромирование может производиться в твердых, газовых и жидких средах.

При хромировании в твердой среде применяют порошкообраз­ную смесь из 60—65% металлического хрома или феррохрома, 30— 35% глинозема и 5% хлористого аммония. Процесс ведется при температуре 1000—1150° С в течение 7—12 часов. При хромирова­нии низкоуглеродистой стали на поверхности деталей за это время образуется хромированный слой толщиной 0,1—0,25 мм.

При жидком хромировании изделия нагревают в ванне из рас­плавленных хлористых солей бария, магния и кальция с добавкой феррохрома и хлористого хрома. Процесс ведется при температуре 980-1000° С.

При хромировании в газообразной среде изделия нагревают до 950—1050° С в атмосфере парообразного хлористого хрома.

В низкоуглеродистых сталях хром растворяется в α-железе. В высокоуглеродистых сталях хром образует карбиды.

Хромированию подвергают различные детали и инструменты, от которых требуются высокая износоустойчивость, коррозионная стойкость и жаропрочность,—такие, как сверла, калибры, клапаны компрессоров и т. д. Жаростойкость хромированных сталей состав­ляет 800—850° С.

Силицированиемназывают процесс поверхностного насыщения стали кремнием с целью повышения кислотоупорности, сопротивле­ния износу и жаростойкости деталей. Силицирование проводят в твердом, жидком и газообразном цементаторе.

Для твердого  силицирования используют смесь ферросилиция с шамотом. Чтобы ускорить процесс, добавляют хлористый алюминий. Процесс ведут при 1100 — 1200° С. При вы­держке 4—10 часов образуется силицированный слой глубиной 0,2—0,7 мм.

При жидком  силицировании используют хло­ристые соли с добавкой ферросилиция. Процесс ведут при 950— 1000° С.

Газовое  силицирование имеет наибольшее про­мышленное значение; его проводят аналогично алитированию, с ис­пользованием ферросилиция. Процесс идет более интенсивно, чем в предыдущих случаях. После выдержки при 1050° С в течение 2 часов получают слой толщиной 1,0 мм, насыщенный кремнием.

Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Если проварить деталь в масле при температуре 150— 200° С, масло, впитываясь в поры, способствует самосмазыванию детали, повышая ее стойкость при работе на истирание. Жаростой­кость силицированных деталей не превышает 800—850° С.

В последние годы разработаны новые процессы повышения из­носоустойчивости стальных деталей, которые называются сульфидированием и сульфоцианированием.

Сущность  сульфидирова­ния заключается в насыщении поверхности стальных деталей се­рой на глубину 0,2—0,3 мм путем их нагрева в расплавленных серноазотистых солях при температуре 550—600° С с выдержкой в те­чение 2—3 часов. В результате поверхность деталей насыщается се­рой до 0,5% и азотом до 1,0%.

Сульфидированные детали хорошо работают на трение. По лабораторным исследованиям износоустой­чивость деталей после сульфидирования повышается в 2—3 раза.

Сульфоцианирование — процесс поверхностного на­сыщения стали серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокую износоустойчивость. Сульфоцианирование проводится обычно в соляных ваннах при температуре 550—600° С.

Источник: Остапенко Н.Н.,Крапивницкий Н.Н. Технология металлов. М. Высшая школа,1970г.

Источник: https://markmet.ru/tehnologiya_metallov/khimiko-termicheskaya-obrabotka-stali

6.7 Борирование

Борирование
стали — химико-термическая обработка
насыщением поверхностных слоев стальных
изделий бором при температурах
900…950°С. Цель борирования — повышение
твердости, износостойкости и некоторых
других свойств стальных изделий.
Диффузионный слой толщиной 0,05…

0,15 мм,
состоящий из боридов FeB и Fе2В,
обладает весьма высокой твердостью,
стойкостью к абразивному изнашиванию
и коррозионной стойкостью. Борирование
применяют также для повышения
износостойкости поверхностного слоя
стального изделия при повышенных
температурах.

Изделия, подвергшиеся
борированию, обладают повышенной до
800°С окалиностойкостью и теплостойкостью
до 900–950°С. Твердость борированного
слоя в сталях перлитного класса составляет
15 000–20 000 МПа. Борирование особенно
эффективно для повышения стойкости (в
2…

10 раз) штампового инструмента.

Борирование
может осуществляться в твердых, жидких
(электролизное и безэлектролизное
борирование) и газообразных средах. При
борировании в твердых средах, обрабатываемые
детали помещаются в герметически
закрываемые контейнеры, называемые
боризаторами.

Процесс твердофазного
борирования, или борирования в порошковых
средах, осуществляется в вакууме или
водородных средах. Жидкофазное
(безэлектролизное) борирование применяют
только в случае обработки деталей
сложной конфигурации.

Углерод в процессе
борирования оттесняется от поверхности
стали и в насыщаемой зоне образуется
зона сплошных боридов, химический состав
форма и структура которых напрямую
зависит от химического состава стали.

Углерод и легирующие элементы уменьшают
глубину насыщаемого слоя, чем выше их
содержание, тем меньше глубина борирования.

6.8 Силицирование

Силицирование
— поверхностное или объёмное насыщение
материала кремнием. Силицирование
производится обработкой материала в
парах кремния, образующихся при высокой
температуре над кремниевой засыпкой,
или в газовой среде, содержащей хлорсиланы,
восстанавливающиеся водородом по
реакции:

SiCI4+ 2H2= Si + 4HC1

Температура
процесса насыщения 1100-1200º С. Глубина
слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность
около суток. При насыщении из газовой
фазы используют газ SiH4– моносилан.
Силицирование чаще проводят одновременно
с насыщением детали Al, этот процесс
называют алюмосилицированием.

В
результате на поверхности образуется
FeAl интерметаллидная фаза и Al2O3.
Силицирование применяют для деталей,
работающих при повышенных температурах.
Внедрение Si в поверхность позволяет
повысить жаростойкость, т.е. сопротивление
поверхности окислению при высоких
температурах.

После силицирования на
поверхности образуется окислы кремния,
либо двойные окислы — шпинели FeSi2O4, FeAl2O4.

6.9Диффузионное насыщение металлами

Насыщение
поверхности стали металлами в ходе их
высокотемпературной химико-термической
обработки в соответствующих насыщающих
средах называется диффузионной
металлизацией.

Целью такого вида
химико-термической обработки является
изменение состава, структуры и свойств
поверхностного слоя стали путем введения
в него таких металлов, как хром, алюминий,
титан, цинк, вольфрам, ванадий, ниобий.

Диффузионная металлизация, в зависимости
от насыщающего элемента, может проводиться
в диапазоне температур от 400 до 1700 °С.
Техническое исполнение этого вида
химико-термической обработки может
быть выполнено рядом способов, например,
погружением обрабатываемой детали в
ванну с расплавленным металлом.

Такой
метод применим в том случае, когда
температура плавления насыщающего
металла оказывается значительно ниже
температуры плавления стали.

В случае
необходимости насыщения поверхности
стальной детали тугоплавкими металлами
возможно использование погружения
детали в расплавы солей насыщающего
металла, насыщения поверхности детали
из газовой фазы, состоящей галогенидов
диффундирующего металла, диффузии
насыщающего металла путем его испарения
из сублимированной фазы, метода
циркуляционного газового насыщения и
т. п.

Читайте также:  Абразивные полировальные пасты гои, 3m для металла, стекла и др.

Подобная
химико-термическая обработка может
включать в себя как насыщение только
одним элементом, например, насыщение
поверхности детали хромом — хромирование,
насыщение алюминием — алитирование,
так и насыщение группой металлов —
хромоалитирование (одновременное
насыщение хромом и алюминием), одновременное
насыщение поверхности детали металлами
и неметаллами — карбохромирование
(насыщение поверхности углеродом и
хромом). Совместное насыщение поверхности
детали рядом элементов может проводиться
как одновременно, так и последовательно.

В
результате диффузионной металлизации
в поверхности стали возникают слои
высоколегированных твердых растворов
диффундирующих элементов в железе,
создавая принципиально иные
физико-химические свойства поверхностных,
защитных слоев изделия. Изделие,
поверхность которого обогащена этими
элементами, приобретает ценные свойства,
к числу которых относятся высокая
жаростойкость, коррозионная стойкость,
повышенная износостойкость и твердость.

Алитирование— насыщение поверхности стали алюминием.
В результате алитирования сталь
приобретает высокую окалиностойкость
(до 850 — 9000С), так как в процессе
нагрева на поверхности алитированных
изделий образуется плотная пленка окиси
алюминия Al2O3, предохраняющая
металл от окисления.

Алитирование проводят в порошкообразных смесях (50%
Al или ферроалюминия, 49% Al2O3и 1% NH4CI или 99% ферроалюминия и 1%
NH4CI) при температуре 1000°С и выдержке
в течение 8ч. В результате образуется
слой в 0,4—0,5 мм, насыщенный алюминием.
Алитирование выполняется также
металлизацией в расплаве алюминия (с
6—8% железа) при 700—800°С с последующей
выдержкой и др. методами.

Структура
алитированного слоя представляет собой
твердый раствор алюминия в a-железе.
Твердость алитированного слоя (на
поверхности) до 500 HV, износостойкость
низкая. Алитирование поверхности
стальных и др.

металлических деталей
проводится с целью повышения
окалиностойкости до температуры 1100°С
и сопротивления атмосферной коррозии.
Чаще всего алитируются детали из
малоуглеродистых аустенитных сталей.

При алитировании в течение 12 ч при 1100°С
у стали с 0,06 % углерода толщина слоя
составляет 1 мм, у стали с 0,38 % углерода
— менее 0,9 мм, при температуре 850 °С —
0,17 и 0,14 мм соответственно).

Содержание
алюминия в насыщенном слое может
достигать 40–50 %, однако при превышении
его концентрации 30% отмечается повышенная
хрупкость слоя и для выравнивания его
концентрации по сечению поверхностного
слоя обычно выполняется термическая
обработка жаропрочных сплавов.

Алитирование применяют также при изготовлении
клапанов автомобильных двигателей,
лопаток и сопел газовых турбин, деталей
аппаратуры для крекинга нефти и газа,
труб пароперегревателей, печной арматуры
и т. п. Алитирование в расплавленном
алюминии широко пользуются вместо
горячего цинкования (листы, проволока,
трубы, строит, детали).

Хромирование— способ химико-термической обработки,
состоящий в высокотемпературном
(900–1300 °С) диффузионном насыщении
поверхности обрабатываемой детали
хромом в насыщающих средах с целью
придания ей жаростойкости (до 800 °С),
коррозионной стойкости в пресной и
морской воде, растворах солей и кислот,
эрозионной стойкости. Диффузионное
насыщение поверхности стали хромом,
также уменьшает скорость ползучести
материала, повышает его сопротивление
термическим ударам. Хромирование также
повышает предел выносливости стали при
комнатных и повышенных температурах,
что связано с возникновением в слое
сжимающих напряжений.

Хромирование
сталей, содержащих свыше 0,3 — 0,4% С, повышает
также твердость и износостойкость.
Диффузионный слой, получа6мый при
хромировании технического железа,
состоит из твердого раствора хрома в
a-железе. Карбидный слой обладает высокой
твердостью. Твердость слоя, полученного
хромирования железа, 250 — 300 HV, а хромированием
стали — 1200 — 1300 HV.

Хромированию
подвергаются стали различных классов
— ферритных, перлитных и аустенитных,
сталей различного назначения.

Структура
хромированного слоя напрямую зависит
от содержания в стали углерода.

Если в
малоуглеродистых сталях этот слой
обычно состоит из твердого раствора
замещения хрома в a -железе, то в случае
высокоуглеродистых материалов может
образовываться слой карбидов, состоящий,
например, для сталей с 0,8–1,0 % углерода
из карбидов Сr23С6, расположенных
в верхних слоях насыщенной хромом
поверхности и карбида Cr7С3лежащего ниже. Под карбидными слоями
располагается эвтектоидный слой,
состоящий из троостита и карбида Cr7С3.
Кроме углерода на параметры хромированного
слоя влияет легирующий комплекс стали.
Все карбидообразующие элементы —
вольфрам, молибден, титан, ванадий и т.
д., увеличивают глубину хромированного
слоя, элементы, расширяющие аустенитную
область, — никель, кобальт — уменьшают
глубину хромирования. Это связано с
особенностями диффузии хрома в a -Fe и g
-Fe. С одной стороны, скорость диффузии
атомов хрома в a -железе значительно
выше, чем в аустените, с другой, — при
легировании вольфрамом, молибденом и
другими карбидообразующими элементами
содержание хрома в стали в исходном, до
химико-термической обработки, состоянии
превосходит его концентрацию в сталях
углеродистых или легированных, например,
только никелем.

Твердость
насыщенной хромом поверхности у средне-
и высокоуглеродистых сталей, то есть
тогда, когда хром в поверхности находится
в виде слоя карбидов, составляет 12 000–13
000 МПа. Твердость хромированного слоя
у низкоуглеродистых сталей, когда хром
находится в твердом растворе, не превышает
1500–3000 МПа.

Наиболее
широко применяется метод диффузионного
хромирования в порошках, содержащих
хром или феррохром и активные добавки
в виде галогенидов аммония (контактный
метод).

При этом подвергающиеся
химико-термической обработке детали
укладываются в специальные контейнеры
(ящики) с двойными крышками для повышения
герметичности и подвергаются
высокотемпературным нагревам в
соответствующих смесях в течение 6–12
ч.

Особо широкое применение этого метода
объясняется простотой применяемого
оборудования, отсутствием необходимости
создания специальных производств и
участков.

Кроме
однокомпонентного насыщения поверхности
стали хромом достаточно широкое
применение нашли процессы совместного
насыщения: углеродом и хромом —
карбохромирование, хромом и кремнием
— хромосилицирование, хромом и алюминием
— хромоалитирование.

Карбохромирование— это процесс последовательного
насыщения поверхности детали углеродом,
а затем хромом, способствующий повышению
твердости, износостойкости, жаропрочности,
коррозионной стойкости материала.
Режимы и способы данной химико-термической
обработки соответствуют режимам и
способам цементации и хромирования
изделий.

Хромосилицирование— это одновременное насыщение поверхности
детали хромом и кремнием.

Температура
хромосилицирования составляет, в
зависимости от состава обрабатываемого
материала и способа хромосилицирования,
900–1200 °С.

Детали, подвергшиеся
хромосилицированию, по сравнению с
хромированными деталями, обладают
повышенной окалиностойкостью и
кислотостойкостью, повышенным
сопротивлением эрозии в области высоких
температур.

Хромоалитирование— это совместное или последовательное
насыщение поверхности детали хромом и
алюминием. Температура процесса находится
в пределах 900–1200 °С.

Хромоалитирование
проводится для создания в поверхности
детали слоев с повышенной, по отношению
к хромированным деталям, жаростойкостью,
достигающей 900 °С, и эрозионной стойкостью.

В зависимости от требований, предъявляемых
к обрабатываемому изделию, возможно
получение хромоалитированных слоев с
различными соотношениями в концентрациях
диффундирующих элементов.

Титанирование— процесс диффузионного насыщения
поверхности сталей титаном. Насыщение
осуществляется при температурах порядка
1100°С, глубина насыщения обычно не
превышает 0,3 мм.

С помощью титанирования
стальным деталям придается исключительно
высокая коррозионная стойкость,
характерная для титана главным образом
в средах различных кислот. Титанирование
может проводиться в твердых
(порошкообразных), жидких и газообразных
насыщающих средах.

Процесс по
технологическим и химическим особенностям
близок к хромированию — так же, как при
хромировании, в поверхностных слоях
малоуглеродистых сталей в процессе
насыщения их титаном создается a -твердый
раствор титана в железе, который содержит
до 30 % титана.

Также возможно образование
в поверхностном слое сталей интерметаллидного
соединения TiFе2. В сталях с высоким
содержанием углерода в поверхностных
слоях дополнительно образуются карбидные
соединения, резко повышающие твердость
насыщенного слоя.

Цинкование— процесс диффузионного насыщения
поверхности детали цинком. Химико-термические
методы цинкования включают в себя
горячее цинкование или цинкование
погружением, цинкование в порошке цинка
— шерардизация, цинкование в парах
цинка.

Кроме этих методов используется
электролитическое цинкование, металлизация
напылением и нанесение цинкосодержащих
красок. Цинкование — процесс, способствующий
резкому повышению коррозионной стойкости.

Повышение коррозионной стойкости при
цинковании стальных деталей достигается
за счет двух химических процессов: цинк,
по отношению к железу являясь
электроположительным металлом, тормозит
коррозию поверхности детали.

Под
воздействием атмосферной влаги на
цинкованной поверхности стальной детали
образуется слой карбонатов и оксидов
цинка, оказывающий также защитное
действие. Температура цинкования зависит
от способа проведения операции.

Так,
при цинковании в порошках температура
процесса колеблется в пределах 370–430
°С, при цинковании погружением — 430–470
°С. Также широк интервал времен выдержек
при цинковании. Если при цинковании в
порошковых смесях слой толщиной около
0,1 мм достигается в среднем за 10 часов,
то при цинковании погружением толщину
слоя в 0,3 мм получают за 10 секунд процесса.

Горячее
цинкование считается одним из самых
надежных, экономичных и потому
распространенных методов защиты железа
и стали от коррозии. Для металлоконструкций
горячее цинкование является бесспорно
самым распространенным видом покрытия.
Толщина цинкового слоя колеблется от
40 до 85 мкм, обычно — от 45 до 65 мкм.

В
зависимости от режима насыщения в
диффузионном слое на поверхности железа
может образоваться η-фаза (твердый
раствор железа в цинке), далее слой
интерметаллидных фаз FeZn13, FeZn7,
Fe3Zn10, а ближе к сердцевине
— твердый раствор цинка в железе.

Для
повышения коррозионной стойкости
различных изделий (листы, трубы, проволока,
посуда, аппаратура для получения спиртов,
холодильников, газовых компрессоров и
т. д.) чаще применяют цинкование путем
погружения изделий в расплав цинка.

Недостатки
диффузионного насыщения металлов

Диффузия
хрома, алюминия и других металлов
протекает значительно медленнее, чем
углерода и азота, потому что углерод и
азот образуют с железом растворы
внедрения, а металлы — растворы замещения.
При одинаковых температурных и временных
условиях диффузионные слои при
металлизации в десятки, а то и в сотни
раз более тонкие, чем при цементации.

Такая малая скорость диффузии препятствует
широкому распространению процессов
диффузионного насыщения в промышленности,
так как процесс является дорогостоящим, его проводят при высоких температурах
(1000-1200 °C) длительное время.

Только особые
свойства слоя и возможность экономии
легирующих элементов при использовании
процессов диффузионной металлизации
обусловили некоторое их применение в
промышленности.

Список
рекомендуемой литературы.

Основная:

1.Материаловедение.
Учебник для вузов. Под ред. Б.Н.Арзамасова.
3-изд., перераб. и дополненное. М.: Изд-во
МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. 648с.

2.Солнцев
Ю.П., Пряхин Е.И. Вайткун Ф. Материаловедение:
Учебник для вузов. Изд. 2-е перераб. и
доп. СПб.: Химиздат, 2002 –696с.

Дополнительная
;

1.Лахтин
Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение –
М.; Машиностроение, 1990 г.

2.Журавлев
В.В., Николаева О.И. Машиностроительные
стали – справочник. – М.; Машиностроение,
1992 г.

3.Марочник
сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В.Г.
– М.; Машиностроение, 1989 г.

4.Металловедение
и термическая обработка. Методический
практикум по лабораторным работам.

65

Источник: https://studfile.net/preview/2114907/page:25/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector