Глобальная сеть Интернет 2

Цементация стали

Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

-в твёрдом карбюризаторе

-газовая

-в кипящем слое

-электролитическая

-в пастах

Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 920 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При "ускореном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией.

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Цементация в кипящем слое

Цементация в слое мелких частиц (0,05-0,20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана. При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

Цементация в пастах

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910-1050°С

Азотирование

Азотирование — это технологический процесс химико-термической обработки при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия насыщенный азотом имеет в своём составе растворённые нитриды, и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время превосходя цементацию и нитроцементацию (незначительно).

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

-Стали углеродистые и легированные, конструкционные и инструментальные.

-Высокохромистые чугуны, высокохромистые износоустойчивые сплавы, хром.

-Титан и титановые сплавы.

-Бериллий.

-Вольфрам.

-Ниобиевые сплавы.

-Порошковые материалы.

Назначение азотирования

-Упрочнение поверхности

-Защита от коррозии

-Повышение усталостной прочности

В зависимости от назначения используемые технологические процессы азотирования могут существенно отличатся.

Основные процессы азотирования

Газовое азотирование

Насыщение поверхности металла производится при температурах от 400 (для некоторых сталей) до 1200 (аустенитные стали и тугоплавкие металлы) градусов цельсия. Средой для насыщения является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей применяют:

-двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения.

-разбавление диссоциированного аммиака:

-воздухом,

-реже водородом

Контрольными параметрами процесса являются:

-степень диссоциации аммиака

-расход аммиака

-температура

-расходы дополнительных технологических газов (если применяются)

Каталитическое газовое азотирование

Последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400—600 градусов цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение потенциала насыщения. В целом применяются более низкие температуры, чем при газовом азотировании.

Ионно-плазменное азотирование

Технология насыщения металлических изделий в азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом служат стенки камеры нагрева, а катодом — обрабатываемые изделия. Для управления структурой слоя и механическими свойствами слоя применяют (в разные стадии процесса):

-изменение плотности тока

-изменение расхода азота

-изменение степени разряжения

-добавки к азоту особочистых технологических газов:

-водорода

-аргона

-метана

-кислорода

Оборудование для азотирования

Для проведения газового азотирование используются преимущественно шахтные ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

Для проведения каталитического газового азотирование используются преимущественно шахтные ретортные и камерные печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счет катодной бомбардировки и собственно насыщение.

Свойства азотированных металлических поверхностей

-Стали

-Штамповые стали

-Среднелегированные конструкционные стали

-Инструментальные стали

-Чугун

-Титановые сплавы

Цианирование (сталелитейное производство)

Цианирование в сталелитейном производстве — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 820-950° C в расплаве цианида натрия или других солей с тем же анионом.

Среднетемпературное цианирование

Процесс проводят для получения слоя небольшой толщины 0,15-0,35 мм при температуре 820-860° C в ваннах. Продолжительность процесса составляет 30-90 минут в зависимости от толщины слоя.

Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется кислородом воздуха, и происходят следующие реакции:

2NaCN + O2 → 2NaCNO;

2NaCNO + O2 → Na2CO3 + CO + 2N → Fe(N)

2CO → CO2 + C → Feγ(C)

Высокотемпературное цианирование

Данный вид цианирования применяют для получения слоя толщиной 0,5-2,0 мм. Процесс проводят при температуре 930-950° C в ванне. Зеркало ванны покрывают слоем графита во избежание больших потерь теплоты и угара цианистых солей. Время выдержки изделий в ванне для слоёв указанной толщины 1,5-6 часов.

Применение

Цианирование применяют для повышения износостойкости и коррозионостойкости деталей. Процесс цианирования по сравнению с процессом цементации требует гораздо меньше времени для получения слоя заданной толщины, характеризуется значительно меньшими деформациями и короблением деталей сложной формы

Борирование

Борирование — химико-термическая обработка, заключающаеся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде (упрочнение поверхностей). Тысячные доли бора увеличивают износостойкость стали в 2 раза.

Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na2B4O7). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950° С, выдержка 2 — 6 часов.

Борирование можно производить при отливке деталей. В этом случае на поверхность литейной формы наносится слой специальной боросодержащей массы (краски). При использовании выжигаемых моделей из пенопластов боросодержащая краска наносится на поверхность модели. Способ отличается производительностью и простотой.

Применение

Борирование применяют для повышения износостойкости втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобура, вытяжных, гибочных и формовочных штампов, деталей пресс-форм и машин литья под давлением. Стойкость деталей после борирования увеличивается в 2 — 10 раз. 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.

Силицирование

Силицирование - процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100 °С) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование придаёт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа.Силицирование может производиться в газообразных и жидких средах как электролизным, так и безэлектролизным методом. Силицированный слой отличается повышенной пористостью толщина его 300-1000 мкм. Несмотря на низкую твёрдость 200-300 HV, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при температурах 170-200° C.

Применение

Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т.д.). Силицирование широко применяют для повышения сопротивления окислению при высоких температурах сплавов молибдена. Так же силицированию подвергают детали из карбида кремния (SiC). Пример: электрические нагреватели из карбида кремния, подшипники скольжения для нефтяной и химической промышленности, конструкционные детали и др.

Хромирование

Хромирование — диффузионное насыщение поверхности стальных изделий хромом, либо процесс осаждения на поверхность детали слоя хрома из электролита под действием электрического тока. Слой хрома может наноситься для декоративных целей, для обеспечения защиты от коррозии, или для увеличения твердости поверхности.

Описание процесса

Деталь, подвергаемая хромированию, как правило, проходит через следующие шаги:

-Очистка для удаления сильных загрязнений.

-Тонкая очистка, для удаления следов загрязнений.

-Предварительная подготовка (варьируется в зависимости от материала основы).

-Помещение в ванну с насыщенным раствором и выравнивание температуры.

-Подключение тока и выдержка до получения нужной толщины

Используемые при хромировании реагенты и отходы процесса чрезвычайно токсичны, в большинстве стран этот процесс находится под строгим регулированием.

Промышленное применение

В промышленности хромирование используется для снижения трения, повышения износостойкости, повышения коррозионной стойкости. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали к газовой коррозии (окалиностойкость) при температуре до 800° С, высокую коррозионную стойкость в таких средах, как вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей содержащих свыше 0,3-0,4 %С, повышает также твёрдость и износостойкость. Твердость хрома составляет от 66 до 70 HRC. Толщина хромового покрытия обычно составляет от 0.075 до 0.25 мм, но встречаются и более толстые, и более тонкие слои. Поверхностные дефекты при хромировании усиливаются и поверхность подлежит последующей обработке, так как хромирование не дает эффекта выравнивания.

Хромирование используют для деталей паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов, вентилей патрубков, а также деталей, работающих на износ в агрессивных средах.

Технология

Типичными являются следующие растворы для хромирования:

1.Шестивалентный хром, чей основной ингредиент — хромовый ангидрид.

2.Трехвалентный хром, чей основной ингредиент — Сульфат хрома или хлорид хрома. Ванны с трехвалентным хромом используются довольно редко из-за ограничений, накладываемых на цвет, яркость и толщину покрытия.

Типичное содержание ванны с шестивалентным хромом:

Хромовая кислота: 225—300 g/l

Серная кислота: 2.25—3.0 g/l,

Температура: 45 — 60 °C

Сила тока: 1.55—3.10 кА/кв.м. DC

Аноды: свинец, содержащий до 7 % олова или сурьмы

Ограничения

После того, как шестивалентный хром в 90-е годы ХХ века был признан канцерогеном, в различных странах началась разработка методик его замены. Так, в США и Канаде начала работу Hard Chrome Alternetive team, HCAT. В 2003 году была принята и в 2006 году вступила в силу директива RoHS, которая существенно ограничила применение хромирования в Европе. Результатом стала замена хромирования на другие способы обработки, например, высокоскоростное газопламенное напыление во многих применениях.

Химико-термическая обработка металлов

Химико-термическая обработка металлов — Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Описание процесса

Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде рядом с поверхностью или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т. е. количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, давления, температуры и химического состава стали.

2. Адсорбция образовавшихся активных атомов насыщаемой поверхностью. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

Классификация по внедряемым элементам

Технологии мононасыщения

-Цементация — насыщение атомами углерода

-Азотирование — насыщение атомами азота

-Борирование — насыщение атомами бора

-Алитирование — насыщение атомами алюминия

-Сульфидирование — насыщение атомами серы

Технологии совместного насыщения

-Нитроцементация — насыщение атомами преимущественно углерода и в меньшей степени азота.

-Карбонитрирование (цианирование, карбонитрация) — насыщение атомами преимущественно азота и в меньшей степени углерода

-Алюмосилицирование — насыщение атомами алюминия и кремния

Классификация по методу насыщения

-Насыщение из газовой фазы

-Насыщение из порошков

-Насыщение из расплавов солей

-Ионно-плазменные методы насыщения

Применение

Упрочняющая обработка

Защита от износа

-Цементация

-Нитроцементация

-Азотирование

-Карбонитрирование (цианирование, карбонитрация)

-Борирование

Антикоррозионная обработка

Защита от коррозии

-Азотирование

-Карбонитрирование (цианирование, карбонитрация)

-Алитирование

-Алюмосилицирование