Основные виды химико термической обработки стали

Химико-термическая обработка стали

Существуют различные способы воздействия на сталь с целью придания ей требуемых свойств. Один из комбинированных методов — химико-термическая обработка стали.

Общие принципы

Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.

Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.

Рассматриваемый процесс включает три этапа:

• диссоциацию;
• адсорбцию;
• диффузию.

Интенсивность диффузии увеличивается в случае формирования растворов внедрения и снижается, если вместо них формируются растворы замещения.

Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.

На размер диффузионного слоя влияют температура и длительность выдержки. Данные параметры связаны прямой зависимостью. То есть с ростом концентрации насыщающего элемента возрастает толщина слоя, а повышение интенсивности теплового воздействия приводит к ускорению диффузии, следовательно, за тот же промежуток времени она распространится на большую глубину.

Большое значение для протекания процесса диффузии имеет растворимость в материале обрабатываемой детали насыщающего элемента. В данном случае играют роль пограничные слои. Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ зерен множества кристаллических дефектов диффузия происходит более интенсивно. Особенно это проявляется в случае малой растворимости насыщающего элемента в материале. При хорошей растворимости это менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется при фазовых превращениях.

Классификация

Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.

В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.

Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.

При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления. Наиболее часто в промышленности для создания газовой и активной газовой сред используют нагрев твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого регулирования состава, отсутствия необходимости повторного нагрева, возможности автоматизации и механизации.

Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.

Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.

По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.

Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.

Диффузионная металлизация

Это поверхностное насыщение стали металлами.

Возможно проведение в жидкой, твердой, газовой средах. Твердый метод предполагает использование порошков из ферросплавов. Жидкой средой служит расплав металла (алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод предполагает использование хлористых металлических соединений.

Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется малой интенсивностью диффузии металлов в сравнении с азотом и углеродом, так как вместо растворов внедрения они формируют растворы замещения.

Такая химико-термическая операция производится при 900 — 1200°С. Это дорогостоящий и длительный процесс.

Основное положительное качество — жаростойкость продуктов. Ввиду этого металлизацию применяют для производства предметов для эксплуатационных температур 1000 — 1200°С из углеродистых сталей.

По насыщающим элементам металлизацию подразделяют на алитирование (алюминием), хромирование, борирование, сицилирование (кремнием).

Первая химико-термическая технология придает материалу стойкость к окалине коррозии, однако на поверхности после нее остается алюминий. Алитирование возможно в порошковых смесях либо в расплаве при меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и проще.

Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и среднеуглеродистых сталей оно также улучшает износостойкость и твердость. Данная химико-термическая операция в основном производится в порошковых смесях, иногда в вакууме.

Основное назначение борирования состоит в улучшении стойкости к абразивному износу. Распространена электролизная технология с применением расплавов боросодержащих солей. Существует и безэлектролизный метод, предполагающий использование хлористых солей с ферробором или карбидом бора.

Сицилирование увеличивает стойкость к коррозии в соленой воде и кислотах, к износу и окалине некоторых металлов.

Науглероживание (цементация)

Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.

Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.

Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.

Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.

Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.

Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.

При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.

Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.

Газовую среду наиболее часто применяют при цементации ввиду скорости, простоты, возможности автоматизации, механизации и достижения конкретной концентрации углерода. В таком случае используют метан, бензол или керосин.

Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.

Ионный метод подразумевает катодное распыление.

Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.

Азотирование

Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.

С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.

Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.

Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.

Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.

Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.

При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.

Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Сульфидирование, сульфоцианирование

Это новая химико-термическая технология, направленная на улучшение износостойкости.

Первый метод состоит в насыщении материала серой и азотом путем нагрева в серноазотистых слоях.

Сульфоцианирование подразумевает насыщение углеродом, помимо названных элементов.

Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в химическом и термическом воздействии в целях изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла. При этом происходит поверхностное насыщение металла соответствующим элементом в процессе сто диффузии в атомарном виде из жидкой, твердой или газовой среды при высокой температуре. ХТО повышает надежность и долговечность деталей и конструкций, работающих в условиях износа, коррозии, эрозии, циклических нагрузок и высоких температур.

Процесс ХТО включает следующие основные стадии:

• 1) образование активных атомов в насыщенной среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;
• 2) абсорбцию активных атомов поверхностью насыщения;
• 3) диффузию адсорбированных атомов вглубь поверхностного слоя;
• 4) термическую обработку.

Основным физическим процессом при ХТО является диффузия, в результате которой образуется диффузионный слой, отличающийся от исходного но химическому составу, структуре и свойствам. Металл, находящийся под диффузионным слоем вне действия насыщающей среды, называется сердцевиной. Наименьшее расстояние от поверхности детали до сердцевины составляет толщину диффузионного слоя.

Эта толщина зависит от температуры, продолжительности насыщения, а также от концентрации диффундирующего элемента. Если процесс насыщения проходит при постоянной температуре (Т= const), то зависимость толщины диффузионного слоя h от времени т является параболической:

где к — постоянный коэффициент.

Толщина диффузионного слоя в зависимости от температуры Т при постоянном времени насыщения (т = const) изменяется но экспоненте:

где k — коэффициент; Q — энергия активации, необходимая для перехода атома из одного положения в решетке в другое (соседнее); R — газовая постоянная.

Существуют различные способы ХТО, которые различаются в зависимости от насыщающего элемента или элементов (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Классификация способов ХТО в зависимости от насыщающих элементов

В промышленности наибольшее распространение получили такие виды ХТО, как цементация, азотирование, нитроцементация.

Цементация. Цементацией (науглероживанием) называют ХТО, заключающуюся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде — карбюризаторе. Процесс цементации проходит при температурах выше критической точки Лез (900—950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в относительно большом количестве.

Цементации подвергаются детали низкоуглеродистых (С = = 0,1-^0,18%) и среднелегированных сталей (15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 15ХГН2ТА и др.). У деталей из таких сталей сердцевина не насыщается углеродом при цементации для сохранения более высокой вязкости.

В зависимости от расстояния от поверхности детали цементационный слой имеет переменную концентрацию углерода. В структуре этого слоя от поверхности и сердцевины можно выделить три зоны (рис. 6.17):

• 1) заэвтектоидная зона, состоящая из перлита (П) и вторичного цементита (Цц);
• 2) эвтектоидная зона, состоящая из перлита (П);
• 3) доэвтектоидная зона, состоящая из перлита (П) и феррита (Ф).

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8—

Рис. 6.17. Изменение концентрации углерода (а) и схема микроструктуры в цементационном слое (6) в зависимости от расстояния от поверхности детали

1,0%. В некоторых случаях для повышения сопротивления контактной усталости количество углерода может быть увеличено до 1,1—1,2%. Однако при более высокой концентрации углерода на поверхности образуется грубая цементационная сетка, что ухудшает механические свойства цементированной детали.

Цементацию деталей проводят в твердых, жидких и газовых карбидообразующих средах. Наиболее производительной является газовая цементация. Наиболее качественный цементационный слой при газовой цементации получается при использовании в качестве карбидообразующего природного газа, состоящего в основном из метана (СН₄) и пропан- бутановых смесей, а также жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание, является диссоциация метана

Процесс цементации проходит при температуре 910—930°С в течении 6—12 ч. Общая толщина цементованного слоя может составлять 0,8—3,0 мм.

После цементации для получения необходимых свойств проводят термическую обработку — закалку с низким отпуском. Термическая обработка необходима для того, чтобы поправить структуру стали и изменить зерно сердцевины и цементованного слоя, обеспечить высокую твердость цементованного слоя и хорошие свойства сердцевины. Закалку цементированных сталей проводят при температуре 820—850°С. При этом поверхностный слой приобретает износостойкую структуру мартенсита с включением карбидов, а низкоуглеродистая сердцевина детали оказывается достаточно вязкой, получая мартенсито-ферритную структуру для легированной стали или феррито-сорбитную для углеродистой стали.

После закалки проводят низкий отпуск цементованного изделия при температуре 160—180°С. В процессе отпуска мартенсит закалки в поверхностном слое переходит в отпущенный мартенсит, уменьшающий остаточные напряжения и улучшающий механические свойства.

В результате термической обработки твердость поверхностного слоя цементированных изделий составляет 58—63 HRC, а твердость сердцевины — 30—45 I IRC. Чаще всего цементации подвергают шестерни различных механизмов для повышения их долговечности.

Азотирование. Азотированием называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагреве в соответствующей среде. Перед азотированием сталь подвергают термической обработке — закалке и высокому отпуску. Температура отпуска после закалки должна превышать температуру азотирования.

Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий и другие элементы, способные образовывать с азотом очень твердые и термостойкие нитриды. Углеродистые стали азотируются реже, так как нитриды железа недостаточно тверды.

Азотирование проводят при температуре 500—600°С, которая ниже температуры при цементации. Основная реакция, проходящая при этом на поверхности детали, — реакция диссоциации аммиака

Выделяющийся атомарный азот адсорбируется поверхностью металла и диффундирует в его кристаллическую решетку, образуя различные фазы.

Па диаграмме состояния «железо — азот» (рис. 6.18) показаны следующие фазы: а-фаза — твердый раствор азота в Fc_a; у-фаза — твердый раствор азота в Fe., (азотистый аустенит), который образуется при температуре выше эвтектоидной (591°С); у’-фаза — твердый раствор на основе нитрида железа Fe^N; е-фаза — твердый раствор на основе нитрида железа Ft^N.

Как следует из анализа диаграммы состояния «Fc — N», при температуре ниже эвтектоидной диффузионный слой при азотиро-

Рис. 6.18. Диаграмма состояния «Fe — N» вании состоит из трех слоев: в + у’ + а. Основной вклад в твердость общего диффузионного слоя вносит нижний a-слой; у’-слой очень тонок; s-слой непрочный и хрупкий.

При температуре азотирования выше эвтектоидной диффузионный слой состоит из следующих фаз: г + у + у’ + а. При медленном охлаждении азотистый у-аустенит распадается на эвтектоид: у —? а + у’, а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение.

При азотировании легированных сталей образуются легированные фазы. Легирующие элементы образуют специальные нитриды, которые, выделяясь в мелкодисперсном состоянии, повышают твердость азотированного слоя.

В результате азотирования поверхностный слой стали приобретает высокие твердость, коррозионную стойкость и изностойкость. По этим показателям азотированные стали превосходят цементированные, однако из-за повышенной хрупкости азотированный слой хуже противостоит ударным нагрузкам.

Азотированию подвергают детали арматуры турбин, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, штампы и другие изделия.

Цианирование. Цианированием называется ХТО, заключающаяся в одновременном диффузионном насыщении поверхностного слоя стали атомами углерода и азота. Цианирование можно проводить в твердой, жидкой и газообразной средах. Процесс цианирования в газовой среде называют нитроцианированием.

Другие виды химико-термической обработки. Из схемы на рис. 6.16 следует, что при ХТО диффузионное насыщение может происходить диффузией атомов неметаллов, металлов или совместно металлов и неметаллов.

Выше были рассмотрены виды ХТО (цементация, азотирование, цианирование), при которых насыщение диффузионного слоя происходит диффузией атомов неметаллов (углерода, азота). Однако в промышленности получили распространение такие виды ХТО, при которых происходит процесс диффузионного насыщения атомами металлов. Такие виды ХТО называют диффузионной металлизацией. Примером диффузионной металлизации является хромирование (насыщение хромом). Отметим, что диффузионная металлизация в зависимости от насыщаемого металла также в той или иной степени позволяет повысить такие свойства сталей и сплавов, как изностойкость, коррозионно-эрозионная стойкость, окалиностой- кость и др.

Диффузионную металлизацию также проводят в твердых, жидких или газообразных средах. При метаишзации диффузионные слои получаются значительно тоньше, чем, например, при цементации. Это объясняется тем, что диффузия металлов происходит медленнее, чем диффузия углерода и азота. Поэтому процесс металлизации является длительным. Однако, несмотря на это, после металлизации абсорбированный слой металла приобретает особые свойства, необходимые при эксплуатации в условиях агрессивных сред и высоких температур. Так, например, значительно повышается жаростойкость сталей при хромировании, алитировании. Это позволяет использовать эти виды металлизации для обработки деталей, изготовленных из углеродистых сталей, в целях их эксплуатации при высоких рабочих температурах. Последнее обстоятельство особенно важно для сталей и сплавов, работающих в теплоэнергетических установках. Диффузионной металлизации подвергают детали паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапанов и др.

§ 12. Термическая и химико-термическая обработка сталей.

Термическая (тепловая) обработка стали служит для изменения в определенных пределах прочности, твердости, вязкости, упругости, износостойкости и других свойств стального изделия. Большинство термических процессов не меняет химического состава стали. Исключением являются процессы химико-термической обработки, которые изменяют химический состав поверхностных слоев.

Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных деталей, обладающих повышенной твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии (проникновения) в поверхностный слой деталей переходят некоторые элементы (углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др.). Выделяющийся при разложении активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются: цементация (насыщение поверхности углеродом), цианирование жидкое и газовое (насыщение поверхности азотом и углеродом), алитирование (насыщение поверхности алюминием), силици-рование (насыщение поверхности кремнием), борирование (насыщение поверхности бором) и др.

Способами термической обработки без изменения химического состава металла являются нормализация, отжиг, закалка и отпуск.

применяется для того, чтобы перевести структуру стали в однородное состояние, ликвидировать крупнозернистую структуру, которую имеет сталь в литом или кованном состоянии. Нормализация заключается в нагреве до температуры, при которой углерод полностью растворяется в железе, и охлаждении на воздухе. Нормализованная сталь имеет более высокие, чем в литом состоянии, показатели по вязкости и более низкую твердость, что создает хорошие условия для обработки резанием. Нормализацию применяют для выравнивания внутренних напряжений в отливках, поковках и сварных соединениях.

называют процесс, при котором производят нагрев выше температуры полного растворения углерода в железе, выдержку при этой температуре и затем медленное охлаждение До комнатной температуры. Отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием и для повышения пластичности и вязкости.

называют процесс термической обработки, состоящий из нагрева выше точки полного растворения углерода в железе, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего быстрого охлаждения (в воде, в масле и других средах). Скорость нагрева, длительность выдержки и охлаждающая среда при закалке применяются в зависимости от химического состава стали, величины и массы изделия, типа печи и т. д. Для получения детали с вязкой сердцевиной и твердой рабочей поверхностью применяют поверхностную закалку.

состоит из нагрева закаленной стали ниже температуры начала растворения углерода в железе, выдержки и последующего быстрого или медленного охлаждения. Выбор температуры отпуска зависит от назначения изделий. Скорость охлаждения после отпуска для простой углеродистой стали не имеет значения, но специальные стали, например хромоникелевые, во избежание получения низких механических свойств (особенно ударной вязкости) необходимо охлаждать быстро.

Обработка холодом. При недостаточном отпуске закаленного режущего инструмента получают пониженную твердость, что резко снижает его работоспособность. Для повышения твердости инструмент подвергают обработке холодом при температурах ниже нуля (от —40 до —120° С). Такие охлаждающие температуры создают при помощи жидкого кислорода и воздуха, смеси сухого льда (твердый СО 2 ) с ацетоном, спиртом, жидкого азота и т. д.

После выдержки в этой среде в течение определенного времени твердость инструмента повышается. Повышение твердости вызывается изменением структурного состояния материала инструмента и сопровождается возникновением внутренних напряжений. Поэтому после обработки холодом необходимо производить отпуск при температурах, не понижающих твердость, но достаточных для снятия внутренних напряжений (например, для цементируемых деталей температура отпуска лежит в пределах от +160 до +180° С).

Обработку холодом применяют также для стабилизации размеров и формы измерительных инструментов.

Цементация. Сущность процесса цементации состоит в том, что при нагревании низкоуглеродистой стали в среде, способной отдавать углерод, поверхностный слой стали поглощает углерод и изменяет свой химический состав. После соответствующей термической обработки цементированные изделия приобретают высокую твердость поверхности, сохраняя вязкую сердцевину. Цементацию широко применяют при изготовлении деталей, подвергающихся истиранию и одновременно испытывающих ударную нагрузку. В зависимости от среды, отдающей углерод, цементация бывает твердая, жидкостная и газовая. При цементации в твердом карбюризаторе средой являются смеси, в состав которых входят древесный уголь, кокс, обугленная кожа, смешанные с углекислым барием или другими углекислыми солями.

При газовой цементации активным науглероживающим эле-ментом среды является метан CH 4 . Для газовой цементации деталями заполняют плотные муфели, через которые пропускают газ. В муфелях поддерживают температуру в пределах 900—950°.

— насыщение поверхностного слоя изделия одновременно углеродом и азотом. Цианирование, применяют для повышения поверхностной твердости и плоскостности.

Жидкостное цианирование производят в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCN, KCN, Ca(CN) 2 и др.) при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных атомов углерода и азота.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота,

представляет собой поверхностное насыщение деталей алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Оно применяется преимущественно к деталям, работающим при высоких температурах (колосники, трубы и др.), так как значительно повышает стойкость стали при высокой температуре (1000° С).

производится в порошковых смесях, состоящих из феррохрома и шамота, смоченных соляной кислотой, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома (CrС1 2 ). Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п.

— насыщение поверхностного слоя стальных изделий кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах.

Химико-термическая обработка металлов

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

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Содержание

Классификация процессов химико-термической обработки

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:

• однокомпонентные: цементация — насыщение углеродом; азотирование — насыщение азотом; алитирование — насыщение алюминием; хромирование — насыщение хромом; борирование — насыщение бором; силицирование — насыщение кремнием;
• многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) — насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование — насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.

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

При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)

В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.

Массоперенос при химико-термической обработке

При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:

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

Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО.

Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.

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

Применение

ХТО применяют с целью:

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

Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).

Какие способы термообработки металла существуют

Чтобы изменить технические характеристики металла, можно создать сплав на его основе и добавить к нему другие компоненты. Однако существует ещё один способ изменения параметров металлического изделия — термообработка металла. С её помощью можно воздействовать на структуру материала и изменять его характеристики.

Термообработка металла

Особенности термической обработки

Термическая обработка металла — это ряд процессов, которые позволяют снять с детали остаточное напряжение, изменить внутреннюю структуру материала, повысить эксплуатационные качества. Химический состав металла после нагревания не изменяется. При равномерном разогревании заготовки изменяется размер зёрен структуры материала.

История

Технология термической обработки металла известна человечеству с давних времён. Во времена Средневековья, кузнецы разогревали и остужали заготовки для мечей с помощью воды. К 19 веку человек научился обрабатывать чугун. Кузнец помещал металл в емкость полную льда, а сверху засыпал сахаром. Далее начинается процесс равномерного разогревания, продолжающийся 20 часов. После этого чугунную заготовку можно было ковать.

В середине 19 века, русский металлург Д. К. Чернов задокументировал то, что при нагревании металла, его параметры изменяются. От этого учёного пошла наука — материаловедение.

Для чего нужна термическая обработка

Детали для оборудования и узлы коммуникаций, изготавливающиеся из металла, часто подвергаются серьёзным нагрузкам. Дополнительно к воздействию давлением, они могут находиться в условиях критических температур. Чтобы выдержать такие условия, материал должен быть износоустойчивым, надёжным и долговечным.

Покупные конструкции из металла не всегда способны длительное время выдерживать нагрузки. Чтобы они прослужили гораздо дольше, мастера металлургии применяют термическую обработку. Во время и после нагревания химический состав металла остается прежним, а характеристики изменяются. Процесс термической обработки увеличивает коррозионную устойчивость, износоустойчивость и прочность материала.

Преимущества термообработки

Термическая обработка металлических заготовок является обязательным процессом, если дело касается изготовления конструкций для длительного пользования. У этой технологии существует ряд преимуществ:

1. Повышенная износостойкость металла.
2. Готовые детали служат дольше, снижается количество бракованных заготовок.
3. Улучшается устойчивость к коррозийным процессам.

Металлические конструкции после термической обработки выдерживают большие нагрузки, увеличивается их срок эксплуатации.

Устойчивость к коррозии

Виды термической обработки стали

В металлургии применяется три вида обработки стали: техническая, термомеханическая и химико-термическая. О каждом из представленных способах термической обработки необходимо поговорить отдельно.

Отжиг

Разновидность или еще один этап технической обработки металла. Это процесс подразумевает под собой равномерное нагревание металлической заготовки до определённой температуры и последующее её остывание естественным путём. После отжига исчезает внутреннее напряжение металла, его неоднородность. Материал размягчается под воздействием температуры. Его проще обрабатывать в дальнейшем.

Существует два вида отжига:

1. Первого рода. Происходит незначительное изменение кристаллической решётки в металле.
2. Второго рода. Начинаются фазовые изменения структуры материала. Его ещё называют полный отжиг металла.

Диапазон воздействия температур при проведении этого процесса — от 25 до 1200 градусов.

Закалка

Ещё один этап технической обработки. Металлическая закалка проводится для увеличения прочности заготовки и уменьшения её пластичности. Изделие разогревается до критических температур, а затем быстро остужается методом окунания в ванну с различными жидкостями. Виды закалки:

1. Двухэтапное охлаждение. Изначально заготовка остужается до 300 градусов водой. После этого деталь кладут в ванну, заполненную маслом.
2. Использование одной жидкости. Если обрабатываются небольшие детали используется масло. Большие заготовки охлаждаются водой.
3. Ступенчатая. После разогревания заготовку охлаждают в расплавленных солях. После этого её выкладывают на свежий воздух до полного остывания.

Также можно выделить изотермический вид закалки. Он похож на ступенчатый, однако изменяется время выдержки заготовки в расплавленных солях.

Термомеханическая обработка

Это типовой режим термической обработки сталей. При таком технологическом процессе используется оборудование создающее давление, нагревательные элементы и ёмкости для охлаждения. При различных температурах заготовка подвергается разогреву, а после этого происходит пластическая деформация.

Отпуск

Это заключительный этап технической термообработки стали. Проводится этот процесс после закалки. Повышается вязкость металла, снимается внутреннее напряжение. Материал становится более прочным. Отпуск стали может проводиться при различных температурах. От этого изменяется сам процесс.

Закалка стали

Криогенная обработка

Главное отличие термической обработки от криогенного воздействия в том, что последний подразумевает под собой охлаждение заготовки. По окончанию такой процедуры детали становятся прочнее, не требуют проведения отпуска, лучше шлифуются и полируются.

При взаимодействии с охлаждающими средами температура опускается до минус 195 градусов. Скорость охлаждения может изменяться в зависимости от материала. Чтобы охладить изделие до нужной температуры, используется процессор который генерирует холод. Заготовка равномерно охлаждается и остаётся в камере на определённый промежуток времени. После этого её достают и дают самостоятельно нагреться до комнатной температуры.

Химико-термическая обработка

Ещё один вид термообработки, при котором заготовка разогревается и подвергается воздействию различных химических элементов. Поверхность заготовки очищается и покрывается химическими составами. Проводится этот процесс перед закалкой.

Мастер может насыщать поверхность изделия азотом. Для этого они нагревается до 650 градусов. При нагревании заготовка должна находиться в криогенной атмосфере.

Термообработка цветных сплавов

Представленные виды термической обработки металлов не подходят для различных видов сплавов и цветного металла. Например, при работе с медью проводится рекристаллизационный отжиг. Бронза разогревается до 550 градусов. С латунью работают при 200 градусах. Алюминий изначально закаляют, затем отжигают и подвергают старению.

Термообработка металла считается необходимым процессом при изготовлении и дальнейшем использовании конструкций и деталей для промышленного оборудования, машин, самолётов, кораблей и другой техники. Материал становится прочнее, долговечнее и устойчивее к коррозийным процессам. Выбор технологического процесса зависит от используемого металла или сплава.