Цементация стали
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают три основных вида цементации стали:
- твердыми углеродсодержащими смесями,
- жидкими (карбюризаторами),
- газовыми составами.
Целью цементации стали является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.
Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при температуре 160-180 С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.
Bо многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают антицементационной пастой.
Что такое нитроцементация?
Одновременное насыщение стальных поверхностей углеродом с азотом называют цианированием или нитроцементацией. При разложении цианистых солей образуются свободные атомы азота, углерода, которые проникают вглубь металла. Насыщение стали углеродом благодаря азоту происходит при более низких температурах. Фактически для стали он снижает критические точки. Вследствие такого понижения температуры насыщения уменьшается деформация обрабатываемых частей.
Основными факторами, определяющими концентрацию и глубину цианированного слоя, являются время выдержки и температура нагрева. Чем выше температура, тем меньше будет насыщение азотом, а больше углеродом. Увеличивая время выдержки детали в печи, получают более глубокий обработанный слой.
Процесс насыщения может проходить в газовой, твердой или жидкой среде.
Диффузионная металлизация.
Диффузионной металлизация-это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.
При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие из ферросплавов с добавлением хлористого аммония в количисве 0,5-5%.
Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например цинк, алюминий).
При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах .
Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы – твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими.
Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температуре 900-1200С.
Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.
При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик.
Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстрой и более низкой температурой.
Основным недостатком является- налипание алюминия на поверхность детали.
Алитированные стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.
Алитированием подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д.
Хромирование проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости и т.д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.
Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных смесях. Процесс происходит при температуре 1000-1050С.Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Карбидный слой имеет высокую твердость HV 12000-13000. Толщина хромированного слоя достигает 0,15- 0,20 мм при длительности процесса 6-15ч.Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.
Иногда применяют хромирование в вакууме. Издели засыпают кусочками хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную печь.
Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей.
Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3мм, твердость HV 18000-20000.
Широкое распространение получил метод электролизного борирования в расплавленных солях, содержащих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавленной бурой. Температура процесса 900-950С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями, в которые добавляют порошкообразный ферробор или карбид бора.
Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штампы.
Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.
Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в а-железе. Силицированный слой несмотря на низкую твердость (HV 2000-3000) и пористость после пропитки маслом при температуре 170-200С имеет повышенную износостойкость.
Перейти на страницу: 1
Другое по теме
Железобетонные конструкции Техническое задание Разработать проект плоского железобетонного ребристого перекрытия по заданному плану перекрываемого помещения. Проект перекрытия составить в двух вариантах: в монолитном и сборном железобетоне. Состав проекта По варианту в монолитном железобетоне: схему балочной клетки, расчет плиты, …
Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м3 Нормативные документы периода разработки типового проекта «Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м3» отражали уровень научно-технических знаний того времени и, естественно, не могли учитывать достижений науки и практики последующих лет, отраженных в строительных нормах и правилах периода возведен …
Технология нитроцементации
Сущность и назначение нитроцеменетации стали заключается в особой методике процесса обработки тонкого внешнего слоя металла, который производится следующим образом. Заготовку для нитроцементации металла помещают в среду из смеси газов, в которую входит аммиак и углеродосодержащий газ. Далее металл нагревают и выдерживают в газовой смеси некоторое время. При этом происходит диффузия атомов углерода и азота в металл. Изменяются его физико-механические свойства. Попутно образуются твердые растворы соединений углерода, азота и железа.
Влияние температуры и длительности на глубину нитроцементации
Присутствие азота в атмосфере приводит к следующим особенностям нитроцеменетации, в отличие от цементации:
- Дополнительное насыщение поверхности азотом;
- Снижение температуры нагрева для возможности осуществления процесса;
- Ускорение процесса диффузии углерода.
Варьируя параметры процесса, то есть состав газовой смеси, температуру, время обработки, можно изменять глубину воздействия. Исследования показали, что с повышением температуры увеличивается скорость диффузии углерода и азота в глубину металла. Глубина проникновения атомов газа в металл регулируется временем выдержки нагретого изделия в рабочей среде.
По сути, нитроцементация и цианирование – это виды нитроцементации, которые различаются технологией. Детали, поверхность которых упрочнена посредством цианирования или нитроцементации, будут иметь одинаковые технические характеристики. При цианировании обрабатываемые детали помещают в расплав цианистых солей натрия или кальция. Температура обработки остается примерно такая же, как и при газовой обработке. При цианировании можно легко получить легированный слой металла до 2-х мм, но при этом следует помнить, что при увеличении толщины слоя в структуре начинают появляться темные области, хорошо заметные под микроскопом, которые указывают на избыток азота на границах кристаллов. Данные области снижают механическую прочность, увеличивая хрупкость металла.
Для осуществления процесса диффузии азота и углерода из среды газа необходим нагрев металла до температуры 700 – 950 °С. Наиболее часто работа ведется при температуре нитроцементации 850 – 870 °С. Данные значения температуры лишь немного превышают температуру закалки и поэтому позволяют упростить процесс закалки деталей, снижают вероятность деформации и сокращают общее время производственного цикла. Уменьшить развитие деформации может также ступенчатая закалка в горячем масле. Все сказанное говорит о том, что данный вид обработки наиболее применим к деталям сложной геометрической формы, у которых повышенные требования к форме поверхности и совершенно недопустимо образование закалочных трещин.
Нитроцементация
Основная область применения нитроцементации стали – машиностроение и автомобильная промышленность. Более 90% автомобильных деталей – шестерен редукторов, валов, упрочняются при помощи нитроцианирования. Данный процесс упрочнения стали является основным в технологии производства зубчатых колес любого назначения, а также некоторых категорий инструмента из быстрорежущей стали.
Преимущества методов
Азотирование и нитроцементация в несколько раз эффективнее, нежели процесс цементации. Цементованный слой с мартенситным строением сохраняет свои улучшенные свойства при условии температурного режима не выше 225°С. Методика азотирования позволяет поднять показатели до 550 — 600°С. Этот метод наиболее эффективен для поднятия износостойкости сталей аустенитных нержавеющих. Нитроцементация объединяет преимущества цементации и азотирования, этот процесс более прогрессивен и экономичен: ускоряется насыщение поверхности металла азотом и углеродом на 30 — 35%, производственный цикл сокращается на 50 — 60%, минимальны деформации, повышается износостойкость металла и способность к закаливанию.
Свойства металла после обработки
После проведения цементации твердость науглероженного слоя достигает: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры металла.
Структура стали после цементации
Для исправления крупного зерна металла детали после цементации подвергаются повторному нагреву и закалке с последующим отпуском или нормализацией.
Закалка производится при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счет получения перлита и феррита.
Вместо закалки для легированных сталей производят нормализацию. После сквозного прогрева в середине детали образуется мартенсит. Нагрев детали зависит от марки стали, из которой она была изготовлена.
Режимы термической обработки стали после цементации
В качестве заключительной фазы проводят низкотемпературный отпуск, который позволяет устранить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.
Нитроцементация это насыщение поверхностного слоя металла
Цементация стали — разновидность химико-термической обработки, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1—0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель Ц. — повышение твёрдости и износостойкости поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом (до 0,8—1,2%) и последующей закалкой с низким отпуском. Глубина цементованного слоя 0,5—1,5 мм (реже больше); концентрация углерода в слое убывает от поверхности к сердцевине изделия. Ц. и последующая термическая обработка повышают предел выносливости металла и понижают чувствительность его к концентраторам напряжения. Различают Ц. твёрдыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую Ц. На заводах массового производства обычно применяют газовую Ц., при которой легче регулируется концентрация углерода в слое, сокращается длительность процесса, обеспечивается возможность полной его механизации и автоматизации, упрощается последующая термическая обработка.
Нитроцементация сталей процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температурой насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С.
Преимущества: при легировании аустенита азотом снижается температура α γ-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах.
Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2—1,0 мм. На ВАЗе 94,5 %деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс.
Билет №12
1. Эвтектоидное (перлитное) превращение в системе «железо-углерод».
По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного: A0,83 -> эвт. (Ф + Цп)
По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.
Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.
2. Химико – термическая обработка стали.
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали. Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой, в которой осуществляется нагрев. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура, Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.
В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации
,адсорбции, диффузии.Диссоциация
– получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.
Адсорбция
– захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.
Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Диффузия –
перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.
Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.
Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.
Основными разновидностями химико-термической обработки являются: цементация
(насыщение поверхностного слоя углеродом);азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
нитроцементация или цианирование
(насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).
Вакуумная цементация
– возможность эффективного регулирования профиля распределения углерода в цементованном слое и его микроструктуры;
– отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере, что исключает внутреннее окисление деталей;
– лучшее проникновение газа-карбюризатора в отверстия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей;
– высокая повторяемость результатов процессов, проходящих в одинаковых условиях;
– получение светлой поверхности деталей после цементации;
– отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля угле родного потенциала;
– уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа;
– большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут);
– сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре и изменения потенциала атмосферы;
– повышение культуры производства и улучшение условий труда.
Первая информация о процессе вакуумной цементации относится к началу 70-х годов, когда специалисты фирмы “Хейес” (США) впервые осуществили вакуумную цементацию в модернизированных печах типа VCQ.
При вакуумной цементации, загрузку деталей производят в холодную камеру, далее пуск печи, и дальнейшее управление всеми технологическими параметрами (температура, расход газа, давление, длительности периодов цементации и диффузии) производится с помощью программы, введенной в управляющий компьютер. Сначала печь вакуумируется, затем следует ступенчатый нагрев до температуры цементации. Затем садка с деталями выдерживается при постоянной температуре для выравнивания температуры внутри садки и удаления загрязнений с поверхности стали, препятствующих проникновению углерода. Продолжительность выдержки при температуре составляет от 20 до 60 мин. (в зависимости от поперечного сечения деталей). Далее происходит подача в камеру реакционного газа, в качестве которого применяют такие углеводороды как метан, пропан, бутан или ацетилен. Давление и расход газа зависят от типа газа, объема камеры и площади поверхности деталей. Давление газа может находиться в интервале 4 – 400 мбар, а расход в интервале 500 -5000 нл/ч. При этом стараются как можно больше обогатить поверхностную зону углеродом, чтобы концентрация углерода в этой зоне достигла более высоких значений, чем задаваемые значения для окончательно обработанной детали. За стадией науглероживания следует диффузионная стадия процесса. Для того, чтобы избежать дальнейшего науглероживания во время диффузионной стадии, по окончании стадии науглероживания печь снова вакуумируют. Далее закачивают в печь немного азота (до установления давления в печи 2 мбара) с целью уменьшения эффекта сублимации (выветривания, улетучивания) в вакууме углерода и легирующих элементов с поверхности деталей при прохождении стадии диффузии. Стадии науглероживания и диффузии чередуют до тех пор, пока не будут получены требуемые глубина цементованного слоя и концентрационный профиль углерода. Оптимальный технологический процесс вакуумной цементации состоит из трех стадий науглероживания и трех стадий диффузии. На следующем этапе, осуществляется охлаждение печи и садки с деталями до цеховой температуры и в зависимости от конструкции печи это может происходить как в самой камере с использованием инертного газа (азот, аргон или гелий) при разных давлениях, так и в масле закалочного бака. После достижения печью цеховой температуры компьютерное управление отключается и с помощью погрузчика садку выгружают.
Некоторые особенности технологии – вместо заключения
Иногда при цементации необходимо защитить некоторые поверхности. Для этого применяют 3 основных способа: защита допусками, меднение поверхности, защита пастами.
Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400–500 МПа, повышают предел выносливости изделия. Низкое содержание углерода (0,08–0,3 %) обеспечивает высокую вязкость сердцевины за счет неполной прокаливаемости. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60–64 HRC, а для легированной – 58–61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
Вакуумная цементация
– возможность эффективного регулирования профиля распределения углерода в цементованном слое и его микроструктуры;
– отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере, что исключает внутреннее окисление деталей;
– лучшее проникновение газа-карбюризатора в отверстия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей;
– высокая повторяемость результатов процессов, проходящих в одинаковых условиях;
– получение светлой поверхности деталей после цементации;
– отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля угле родного потенциала;
– уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа;
– большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут);
– сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре и изменения потенциала атмосферы;
– повышение культуры производства и улучшение условий труда.
Первая информация о процессе вакуумной цементации относится к началу 70-х годов, когда специалисты фирмы “Хейес” (США) впервые осуществили вакуумную цементацию в модернизированных печах типа VCQ.
При вакуумной цементации, загрузку деталей производят в холодную камеру, далее пуск печи, и дальнейшее управление всеми технологическими параметрами (температура, расход газа, давление, длительности периодов цементации и диффузии) производится с помощью программы, введенной в управляющий компьютер. Сначала печь вакуумируется, затем следует ступенчатый нагрев до температуры цементации. Затем садка с деталями выдерживается при постоянной температуре для выравнивания температуры внутри садки и удаления загрязнений с поверхности стали, препятствующих проникновению углерода. Продолжительность выдержки при температуре составляет от 20 до 60 мин. (в зависимости от поперечного сечения деталей). Далее происходит подача в камеру реакционного газа, в качестве которого применяют такие углеводороды как метан, пропан, бутан или ацетилен. Давление и расход газа зависят от типа газа, объема камеры и площади поверхности деталей. Давление газа может находиться в интервале 4 – 400 мбар, а расход в интервале 500 -5000 нл/ч. При этом стараются как можно больше обогатить поверхностную зону углеродом, чтобы концентрация углерода в этой зоне достигла более высоких значений, чем задаваемые значения для окончательно обработанной детали. За стадией науглероживания следует диффузионная стадия процесса. Для того, чтобы избежать дальнейшего науглероживания во время диффузионной стадии, по окончании стадии науглероживания печь снова вакуумируют. Далее закачивают в печь немного азота (до установления давления в печи 2 мбара) с целью уменьшения эффекта сублимации (выветривания, улетучивания) в вакууме углерода и легирующих элементов с поверхности деталей при прохождении стадии диффузии. Стадии науглероживания и диффузии чередуют до тех пор, пока не будут получены требуемые глубина цементованного слоя и концентрационный профиль углерода. Оптимальный технологический процесс вакуумной цементации состоит из трех стадий науглероживания и трех стадий диффузии. На следующем этапе, осуществляется охлаждение печи и садки с деталями до цеховой температуры и в зависимости от конструкции печи это может происходить как в самой камере с использованием инертного газа (азот, аргон или гелий) при разных давлениях, так и в масле закалочного бака. После достижения печью цеховой температуры компьютерное управление отключается и с помощью погрузчика садку выгружают.
Некоторые особенности технологии – вместо заключения
Иногда при цементации необходимо защитить некоторые поверхности. Для этого применяют 3 основных способа: защита допусками, меднение поверхности, защита пастами.
Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400–500 МПа, повышают предел выносливости изделия. Низкое содержание углерода (0,08–0,3 %) обеспечивает высокую вязкость сердцевины за счет неполной прокаливаемости. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60–64 HRC, а для легированной – 58–61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
