Азотирование и цементация стали

Основные виды химико-термической обработки – цементация, азотирование, карбонитрация

Азотирование и цементация стали

Химико-термическая обработка – это комплекс операций по изменению химического состава и микроструктуры поверхности заготовки или изделия с целью получения требуемых характеристик. Такое изменение является результатом взаимодействия поверхности с окружающей средой определенного состояния, состава, температуры. Наиболее распространенные виды химической обработки – цементация (науглероживание), азотирование, карбонитрация (одновременное насыщение углеродом и азотом).

Технология цементации стали

Этот процесс подразумевает диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных заготовок углеродом. Обработка осуществляется в карбюризаторе, выделяющем активный углерод, при температурах устойчивости аустенита – 850-950°C, хорошо растворяющего большое количество углерода. Для завершения процесса после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Результаты химико-термической и термической обработок в комплексе:

  • высокая твердость и износостойкость поверхности;
  • повышение предела контактной устойчивости;
  • улучшение показателей предела выносливости при изгибе и кручении.

Внимание! Желаемый эффект достигается на сталях с низким содержанием углерода – до 0,2%. Без цементации такие марки закалить невозможно. Чаще всего цементации подвергают легированные стали.

Эта операция является длительной, поскольку процесс науглероживания протекает очень медленно. Основные типы сред для цементации (карбюризаторов):

  • твердые;
  • газообразные;
  • растворы электролитов;
  • пасты;
  • кипящий слой.

Цементация в твердой среде: возможность проведения в домашних условиях

Науглероживание стали в твердой среде можно провести в домашних условиях, если есть способ обеспечить длительную выдержку при таких высоких температурах.

Для обработки в твердом карбюризаторе понадобятся:

  • углекислый натрий, кальций или барий;
  • березовый или дубовый уголь, содержание которого в смеси составляет 70-90%.

Все компоненты измельчают и просеивают для удаления пыли. Оптимальные фракции – 3-10 мм. Методики смешивания компонентов:

Цементацию на производстве и в домашней мастерской осуществляют в стальных ящиках, заполненных карбюризатором. Для уменьшения времени прогрева и повышения качества поверхностного слоя ящик для ХТО по форме и размерам должен быть максимально приближенным к обрабатываемой детали.

Создать оптимальные условия можно только в герметичной таре, поскольку при этом исключается утечка газов, образующихся во время выдержки. Для обеспечения герметичности зазоры между ящиком и крышкой обмазывают огнеупорной глиной. Оптимальный материал ящиков для науглероживания – жаростойкая легированная сталь.

Однако может использоваться и тара из малоуглеродистых сталей.

Этапы цементации в твердом карбюризаторе

  • Заготовки укладывают в ящик слоями с пересыпкой карбюризатором.
  • Ящики обмазывают огнеупорной глиной и устанавливают в разогретую печь.
  • Тару с содержимым прогревают примерно до 800°C. О качественном прогреве свидетельствует отсутствие темных пятен на подине в местах ее соприкосновения с ящиком.
  • После прогрева температуру в печи поднимают до 950°C и выдерживают в таких условиях заготовку на протяжении определенного времени. При этом происходит проникновение активных атомов углерода в кристаллическую решетку стали.

Азотирование: суть процесса и преимущества, по сравнению с цементацией

Азотирование – сравнительно новая технология улучшения характеристик стальных заготовок. Заключается в нагреве деталей до высоких температур в средах, насыщенных аммиаком. Толщина нитридного слоя составляет 0,3-0,6 мм.

Результаты азотирования:

  • повышается износостойкость, так как поверхность становится тверже;
  • возрастает усталостная прочность изделий;
  • образуется стойкий антикоррозионный барьер.

Преимущества такой ХТО, по сравнению с цементацией

  • Поверхностный слой изделия приобретает высокую твердость без дополнительной термической обработки. Прочность поверхностного слоя примерно в 2 раза выше, чем после науглероживания.
  • Геометрические параметры заготовки после азотирования остаются практически без изменений.
  • Может применяться для изделий после закалки с высоким отпуском и шлифованием в размер.
  • После науглероживания поверхностный слой сохраняет полученную твердость до температур до 225°C, после диффузионного насыщения азотом – до 600°C.

Краткая схема азотирования при температурах 500-600°C в стальных ретортах, устанавливаемых в печь:

  • части стальных элементов, не предназначенные для насыщения азотом, защищают оловом или жидким стеклом, наносимым по технологии электролиза;
  • закладывают в муфель, в который из баллона закачивают аммиак;
  • внутри реторты аммиак разлагается на азот и водород;
  • атомарный азот проникает в поверхность стальной детали с образованием нитридов, для которых характерна очень высокая твердость;
  • после выдержки заготовку в реторте охлаждают вместе с печью, чтобы закрепилась твердость поверхности без окисления.

Таблица результатов азотирования для стали различных марок, в зависимости от целевого назначения ХТО

Марка стали Изготавливаемые детали Цель азотирования Толщина слоя, мм Твердость по ТУ, HV (по Виккерсу)
38Х2МЮА Ручки, валы, кулачки, эксплуатируемые при нормальных температурах Рост износостойкости и усталостной прочности 0,2-0,5 500-900
18Х2Н4ВА Шестерни, вал-шестерни, валы Рост износостойкости и усталостной прочности 0,2-0,3 500-650
25Х2МФ, 20Х1М1Ф1ТР Штоки, клапаны, втулки, крепеж Увеличение износостойкости при Т до 500°C 0,2-0,5 500-800
35ХМА Штоки, клапаны, втулки, крепежные элементы, буксы Увеличение износостойкости при Т до 400-450°C 0,2-0,4 450-600
20Х3МВФ Штоки, клапаны, втулки, крепежные элементы, буксы Увеличение износостойкости при Т до 500-535°C 0,15-0,2 500-800
25Х2М1Ф Штоки, клапаны, втулки, крепежные элементы, буксы Увеличение износостойкости при Т до 535°C 0,2-0,4 500-700
1Х13 Лопатки сопловых аппаратов Улучшение эрозионной устойчивости в среде пара 0,1-0,2 450-700
15Х11МФ15Х12ВМФ Штоки, буксы, лопатки сопловых аппаратов, клапаны, втулки Улучшение эрозионной устойчивости и износостойкости при Т 535-565°C 0,1-0,20,1-0,2 450-800450-700
40Х Крепеж Повышение коррозионной устойчивости 0,15-0,2 400-500
50ХФА60С2 Винтовые пружины Улучшение коррозионной стойкости во влажной и паровой средах 0,1-0,20,1-0,2 550-750400-600
Читайте также  Ножи из подшипниковой стали

Карбонитрация стали

Популярным видом ХТО стали и чугуна практически любых марок является карбонитрация, или жидкостное азотирование. В этом случае поверхностный слой заготовок насыщается углеродом и азотом в соляных расплавах при температуре 560-580°C. Соляные составы синтезированы из аммоноуглеродных соединений: меламина, мелона, дициандиамида. Карбонитрация сходна с цианированием. Но цианирование осуществляется с использованием токсичного цианида натрия при температурах до 860°C. Для карбонитрации применяют неядовитые соединения, осуществляется она при температурах до 570°.

Преимущества технологии карбонитрации стали

  • Одновременное насыщение азотом и углеродом инициирует появление карбонитридных фаз – более пластичных и менее хрупких, по сравнению с чисто нитридными.
  • Карбонитрация – наиболее экономичный процесс, благодаря его небольшой длительности – 0,5-4 часа.
  • Равномерность нагрева и диффузии.
  • Отсутствие термических напряжений, обеспечивающее минимальные деформации и точность геометрических параметров в пределах микронов.
  • Улучшение усталостной прочности изделий до 80%, износостойкости, коррозионной стойкости.
  • Уменьшение коэффициента трения до 5 раз.
  • Отсутствие хрупкости поверхностного слоя, насыщенного карбонитридами.
  • Возможность обработки недорогих низкоуглеродистых сталей, которые не упрочняются традиционным азотированием. В результате карбонитрации они приобретают характеристики, которыми обладают более дорогие и хуже обрабатываемые стали.
  • Этот процесс для рядовых деталей является финишным, не требующим дополнительной механической обработки. Ответственные изделия после карбонитрации подвергают хонингованию – полировке на 1-2 мкм.

Комбинированное насыщение поверхности азотом и углеродом может применяться даже для высоколегированных и устойчивых к коррозии сталей.

На их поверхности присутствует плотная пленка из оксидов хрома и других легирующих добавок, препятствующая процессу чистого азотирования.

Этапы карбонитрации

Дополнительным плюсом этой технологии является возможность частичного погружения детали в солевой расплав, что позволяет упрочнить только отдельные участки.

Последовательность

  • На карбонитрацию поступают детали с окончательными размерами. При необходимости оставляют минимальный припуск на посадочных поверхностях для полировки.
  • Предварительные мероприятия: очистка, обезжиривание.
  • Нагрев в печи и карбонитрация.
  • Охлаждение в воде, масле, на воздухе.
  • Промывка, сушка.

Таким способом обрабатывают:

  • режущий инструмент;
  • пресс-формы;
  • пары трения;
  • элементы зубчатых передач;
  • детали насосов.

Важный плюс этой технологии – соответствие экологическим нормам и безопасность работников, благодаря отсутствию ядовитых соединений в насыщающих средах. Карбонитрация применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и в небольших мастерских и в домашних условиях.

Совершенствование комплексного азото-углеродного насыщения – низкотемпературная карбонитрация

НОК-процесс – низкотемпературное оксикарбонитрирование – впервые был разработан российскими учеными, а затем дорабатывался немецкими исследователями и получил название QPQ. Преимущества:

  • первоначальная цель – улучшение товарного вида;
  • резкое снижение коэффициента трения;
  • коррозионная стойкость марок перлитного и аустенитного классов, обработанных способом НОК, превышает аналогичный показатель этих материалов, хромированных гальваническим методом;
  • себестоимость на 40% ниже, по сравнению с гальваническими покрытиями.

Этапы НОК-процесса:

  • карбонитрация;
  • охлаждение и выдержка в расплаве ванны оксидирования при 350-400°C;
  • охлаждение на воздухе;
  • промывка;
  • полирование;
  • повтор оксидирования;
  • промывка.

Данная технология рассматривается в качестве эффективной и экономичной альтернативы гальваническому хромированию для низколегированных сталей перлитного класса и хромистых коррозионностойких.

Основные виды химико-термической обработки – цементация, азотирование, карбонитрация, 3.6 из 5 — всего : 5

Источник: https://www.navigator-beton.ru/articles/vidy-himiko-termicheskoj-obrabotki.html

Pereosnastka.ru

Азотирование и цементация стали

Химико-термическая обработка

Категория:

Художественное материаловедение

Химико-термическая обработка

Для стальных изделий применяется химико-термическая обработка. Она заключается в том, что поверхностные слои изделий при одновременном действии различных химических реагентов и высокой температуре насыщаются углеродом, азотом и другими элементами. Цель такого насыщения — увеличение твердости поверхностного слоя с сохранением вязкой сердцевины изделия, повышение устойчивости его против коррозии, приобретение новых декоративных свойств, а также жаростойкости, сопротивление износу, истиранию и т. п.

Этот процесс основан на способности различных элементов в момент своего выделения из соединений в атомарном состоянии проникать (диффундировать) в поверхностные слои стали и насыщать их. Различают следующие основные виды химико-термической обработки: цементация; азотирование; цианирование; алитирование; силицирование; диффузное хромирование.

Цементация — это поверхностное науглероживание стали. Она применяется в тех случаях, когда изделие должно иметь твердую поверхность при вязкой сердцевине. Цементация основана на свойстве железа поглощать углерод при высокой температуре.

Цементации подвергают малоуглеродистые стали с содержанием углерода не выше 0,2%, а также легированные стали с содержанием никеля, хрома и других веществ.

Азотирование (нитрирование) представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стальных и чугунных изделий азотом. Азотирование углеродистых сталей применяется главным образом для повышения коррозионной стойкости.

Цианирование — процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом, которые повышают коррозионную стойкость и твердость изделий. Совместное действие углерода и азота ускоряет этот процесс по сравнению с цементацией.

Читайте также  Можно ли приварить сталь к чугуну?

Алитирование — процесс диффузного насыщения поверхности стальных и чугунных изделий алюминием. Оно применяется для повышения жаростойкости до 900—950°С благодаря образованию на поверхности защитной пленки из окиси алюминия.

Силицирование повышает твердость и коррозионную стойкость изделий. Оно заключается в насыщении поверхностного слоя стальных изделий кремнием.

Диффузное хромирование значительно повышает коррозионную стойкость, твердость, сопротивление износу и жаростойкость.

Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхностных слоев изделия тем или иным полезным элементом. Адсорбция и диффузия этого элемента протекает при повышенной температуре из среды, окружающей изделие. Такая среда, богатая насыщающим элементом, носит название цементирующей.

Все способы химико-термической обработки по характеру влияния на свойства материала можно подразделить на две большие группы.1. Упрочняющая химико-термическая обработка, включающая цементацию углеродом, азотирование, цианирование, диффузионное хромирование, борирование сталей.

2. Химико-термическая обработка с целью повышения жаростойкости и коррозионной стойкости при обычных температурах, включающая алитирование, хромирование, силицирование и другие.

Элемент, которым насыщается изделие при химико-термической обработке, должен быть в активном атомарном состоянии. Азот воздуха, находящийся, как известно, в молекулярном состоянии, непригоден для азотирования стали. Для цементации стали нельзя использовать вещества, которые не претерпевают реакций, сопровождающихся выделением углерода в атомарном виде.

Поэтому, как правило, насыщение при химико-термической обработке происходит при участии газовых фаз, способных выделять насыщающий элемент в атомарном состоянии.

Цель химико-термической обработки — получение поверхностного слоя стальных деталей, обладающего повышенной твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии (проникновения) в поверхностный слой деталей переходят некотррые элементы (углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др.).

Поглощение таких элементов протекает лучше всего, когда диффундирующий элемент выделяется в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах (в летучем состоянии), поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделившийся при разложении активизированный атом элемента проникаете решетку стали и образует или твердый раствор, или химическое соединение.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются: цементация, азотирование, цианирование.

Цементация. Цементацией называется процесс поглощения поверхностным слоем стали углерода с целью получения (после закалки) детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной.

Цементации подвергают такие детали, которые работают одновременно на истирание и на удар.

Существуют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором (науглероживателем) и газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в смеси с углекислыми солями — карбонатами (Na2C03, ВаС03 и др.), которые при нагревании легко распадаются с выделением углекислого газа (С02). Количество карбонатов в карбюризаторах колеблется обычно в пределах от 20 до 40%.

Цементации подвергают детали из углеродистой или легированной стали с содержанием углерода от 0,2%. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации и, следовательно, хорошее сопротивление динамической нагрузке.

Детали помещают в железные цементационные ящики и засыпают карбюризатором.

Атомарный углерод диффундирует в поверхностный слой, вследствие чего содержание его в аустените повышается.

Та ким образом, действительным цементирующим веществом при цементации твердым карбюризатором является окись углерода (СО).

Поверхности, не подлежарие цементации, изолируют от карбюризатора нанесением на них специальных обмазок или слоя меди (электролитическим способом).

Глубина цементации зависит от времени и температуры выдержки деталей и обычно составляет 0,5—1,5 мм.

Предельная растворимость углерода в поверхностном слое зависит от температуры и определ яется линией SE диаграммы железо—углерод. Обычно цементированные детали содержат в поверхностном слое 0,95—1,1% С.

При газовой цементации в качестве карбюризаторов применяются различные газы и газовые смеси: природные газы, светильный газ, генераторный газ и др. В состав этих газов, кроме уже известной нам окиси углерода, входят углеводороды. Из углеводородов особое значение имеет метан (СН4).

Преимуществами газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются сокращение времени процесса (в два-три раза), чистота рабочего места, возможность более точного регулирования процесса. На отечественных завода)? газовая цемендация применяется очень широко.

После цементации детали подвергают закалке и отпуску.

Закалка цементированной стали имеет свои особенности, так как цементация вызывает значительный рост зерна вследствие продолжительной выдержки при высокой температуре; кроме того, распределение углерода по сечению неравномерно.

Для неответственных деталей закалку производят непосредственно из цементационного ящика. В этом случае поверхностный слой детали имеет структуру крупноигольчатого мартенсита, а в сердцевине — крупное зерно доэвтектоидной структуры. После закалки производят низкий отпуск (150—170°).

Более ответственные детали после цементации охлаждают на воздухе л затем закаливают от температуры 850—900° (нагрев выше точки Ас3). При переходе через точки Асх и Ас3 зерна сердцевины и поверхностного слоя измельчаются, и в структуре закаленной детали будут мелкоигольчатый мартенсит (поверхностный слой) и мелкое зерно (сердцевина). Закаленные детали подвергаются низкому отпуску (150—170°).

Для особо ответственных деталей производят двойную закалку. Первая закалка — от температур выше точки Ас3 (850—900°) — имеет целью измельчить структуру сердцевины. Так как для этого нет необходимости в достижении критической скорости, то охлаждение ведут в масле или на воздухе (нормализация). Вторая закалка — от температур выше точки Асх (760—800°) — производится для того, чтобы придать поверхностному слою высокую твердость. В результате второй закалки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита, а сердцевина — структуру неполной закалки (сорбит-феррит).

Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина деталей, изготовленных из этой стали, независимо от скорости охлаждения будет.иметь структуру перлит + феррит. Поэтому в ответственных деталях, для получения прочной сердцевины (сорбит + феррит), применяют легированную сталь с меньшей критической скоростью закалки.

Азотирование. Азотирование представляет процесс поглощения поверхностным слоем деталей азота, в результате чего этот слой приобретает высокую твердость.

Читайте также  Аустенитные стали марки

Азотированию подвергают легированную сталь, содержащую алюминий (А1), титан (Ti), вольфрам (W), ванадий (V), молибден (Мо) или хром (Сг), так как азотирование углеродистой стали не дает нужного эффекта. Количество легирующих компонентов обычно составляет 1,5-2%.

Азотирование, подобно газовой цементации, производится в специальных печах при температуре 500—600°. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в деталь с поверхности и вместе с перечисленными специальными элементами, а также с железом образует очень твердые химические соединения — нитриды (A1N, MoN, Fe4N и др.).

Продолжительность выдержки в камере при азотировании составляет 25— 60 час.; в этом основной недостаток азотирования.

Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией. Оно выполняется при сравнительно низкой температуре и не требует последующей закалки. Твердость азотированных изделий значительно превосходит твердость закаленной стали и определяется числом 1100—1200 по Виккерсу, а хрупкость азотированного слоя меньше цементированного и закаленного. Следует отметить также повышенную стойкость азотированных изделий против коррозии и усталости.

Вследствие этих преимуществ азотирование широко применяется как для стали, так и для чугуна.

Цианирование. Цианирование (процесс поглощения поверхностным слоем изделий одновременно углерода и азота) бывает жидкое и газовое.

Жидкое цианирование производится в ваннах с растворами цианистых солей (NaCN, KCN, Са (CN)2 и др.). При температуре процесса эти соли разлагаются, выделяя активные атомы С и N.

Низкотемпературное (550—600°) цианирование применяется, главным образом, для инструментов из быстрорежущей стали в целях повышения их стойкости и производится в почти чистых цианистых солях (NaCN + KCN). Высокотемпературное (800—850°) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20—40-процентнье растворы цианистых солей в нейтральных солях NaCI, Na2C03 и др.; оно применяется для различных изделий так же, как и цементация.

Продолжительность жидкого цианирования колеблется в пределах от 5 мин. до 1 часа.

Недостатком жидкого цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что в состав газа добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкое, разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

При низкотемпературном (500—700°) газовом цианировании преимущественно диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в небольшом количестве. Этот способ, так же как жидкое низкотемпературное цианирование, применяется для обработки инструментов из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном (800—850°) газовом цианировании в основном диффундирует углерод с образованием аустьНита, подвергаемого закалке. Преимуществами этого способа перед газовой цементацией являются более низкая температура процесса и меньшая его продолжительность.

Газовое цианирование (называется также нитроцементацией) — новый и более совершенный вид химико-термической обработки; оно получает все большее распространение.

Основными видами термической обработки поковок являются отжиг, нормализация и отпуск. Отжигом называют процесс нагрева стали до одной из температур в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе с печью. В результате перекристаллизации при отжиге структура стали становится равновесной, повышаются ее пластичность и вязкость, снижается твердость и снимаются внутренние напряжения. Отжиг значительно улучшает обрабатываемость металла резанием и необходим для подготовки структуры к последующей термообработке, если она необходима.

В зависимости от температуры нагрева металла различают полный и неполный отжиг. Полный отжиг применяют для поковок из сталей с содержанием углерода более 0,4%, оконченных ковкой при пониженных или повышенных температурах. В первом случае он необходим для устранения полосчатой структуры (сильно вытянутые зерна), а во втором — для устранения крупнозернистости стали. В остальных случаях поковки подвергают неполному отжигу.

Нормализацией называют процесс нагрева стали до температуры выше интервала превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Нормализация улучшает структуру стали, уменьшает внутренние напряжения и повышает механические свойства. Нормализация низко- и среднеуглеродистых сталей (до 0,4% С) заменяет отжиг.

Отпуском называют процесс нагрева металла до температуры ниже интервала превращений, выдержки при этой температуре и охлаждения. Высокий отпуск (650—680 °С) применяют для снижения твердости, улучшения вязкости и пластичности поковок из некоторых марок высоколегированных сталей.

Реклама:

Правка поковок

Источник: http://pereosnastka.ru/articles/khimiko-termicheskaya-obrabotka