Процессы химико-термической обработки
Химико-термическая обработка металлов – это нагрев и выдержка металлических материалов при высоких температурах в химически активных жидких, твердых или газообразных средах.
В большинстве случаев химико-термическая обработка проводится с целью обогащения поверхности металлических изделий компонентами насыщения или насыщенными элементами. Результатом химико-термической обработки является образование диффузионного слоя, то есть происходит изменение структуры, химического состава, фазового состава и свойств поверхностных слоев. Процессы химико-термической обработки, в зависимости от используемого насыщающего компонента, делятся на:
- Однокомпонентные. К данным процесса относятся алитирование, силицирование, хромирование, борирование и цементация.
- Многокомпонентные. К данным процессам относятся хромоалитирование, бороалитирование, xромосицилирование, нитроцементация.
В современной промышленности наиболее распространенными процессами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирования, нитроцементация. В большинстве случаев химико-термической обработке подвергаются сплавы на основе железа, твердые сплавы и сплавы на основе тугоплавких металлов. Методы химико-термической обработки делятся на три основных группы:
- Насыщение из газовой фазы.
- Насыщение из твердой фазы.
- Насыщение из жидкой фазы.
К основным целям химико-термической обработки можно отнести: облегчение технологических операций обработки металлов и сплавов, поверхностное упрочнение металлов и сплавов, придание необходимого декоративного вида, повышение сопротивляемости химической и электрохимической коррозии, придание изделиям необходимых физических свойств.
Цементация стали. Цементация в вакууме и твердой среде
Цементация стали – это диффузионное насыщение поверхности стали углеродом для улучшения ее эксплуатационных характеристик.
К основным эксплуатационным характеристикам стали можно отнести твердость и износостойкость. После цементации сталь должна сохранять достаточно вязкую структуру. Чтобы достичь данных требований необходима высокая температура и среда, которая выделяет свободный углерод. Для науглероживания поверхностного слоя, сталь нагревается до температуры в диапазоне от 850 до 950 градусов по Цельсию. При данной температуре активизируется выделение углерода, в дальнейшем внедряющегося в межкристаллическое пространство стали. Цементация является достаточно продолжительным процессом. Скорость внедрения углерода всего 0,1 миллиметра в час. Цементация стали осуществляется в средах - карбюризаторах. Среди них выделяют:
- газовую среду,
- твердую среду,
- жидкую среду,
- вакуум
Широкое распространение цементация стали получила при обработке деталей, которые работают в условиях ударных нагрузок. Высокой твердостью поверхности обеспечивается длительный срок работы, а вязкость середины позволяет компенсировать ударные нагрузки.
В качестве твердой среды используются смеси соли угольной кислоты с щелочными металлами и древесного угля. Количество древесного угля в данном случае может достигать 90 %. Для приготовления такой смеси составляющие дробятся, размер частиц не долее быть более 10 миллиметров, но при этом должны отсутствовать микроскопические частицы в виде пыли и крошек. Для получения готовой смеси используется один из двух способов. При первом соль и угол тщательно смешиваются в сухом состоянии, а при втором из соли получают раствор. Чтобы получить раствор соль разводится в воде, после чего получившимся раствором смачивают древесный уголь. Влажность угля не должна превышать 7 %, поэтому он предварительно сушится. Сам процесс цементации стали в твердой среде можно разделить на следующие этапы:
- Стальные детали укладываются в специальные металлические ящики и присыпаются угольным составом.
- Ящики подвергаются герметизации и подаются в печь, которую предварительно нагревают.
- Сначала осуществляется прогрев до температуры от 700 до 800 градусов по Цельсию.
- Проводится визуальный контроль прогреваемости - ящики должны иметь равномерный цвет, без темных пятен.
- Температура увеличивается до 850 - 950 градусов по Цельсию.
- Продолжительность выдержки зависит от требуемой толщины слоя.
При цементации в вакууме процесс состоит из следующих этапов: детали помещаются в холодную печь; после герметизации и нагрева создается вакуум; печь нагревается до нужной температуры; происходит выдержка; после этого подается под давлением углеводородный газ; на следующем этапе происходит диффузионное внедрение углерода, в камере создается вакуумическое давление; процесс повторяется до тех пор, пока не получится требуемая глубина; на последнем этапе металл охлаждается до комнатной температуры.
