Процесс алитирования стали

Во всех составах температуру алитирования поддерживают на уровне 950…1050 °С, а время выдержки для указанных температур назначают в пределах от 6 до 12 ч. При таких режимах глубина алитированного слоя может составлять 0,25…0,6 мм.

Сам процесс алитирования проводят следующим образом. Детали и порошки послойно загружают в железные или нихромовые ящики. В процессе насыщения в них многократно добавляют 10-15 % свежей порошкообразной смеси. Если в состав смеси входит окись алюминия, то ее предварительно перед загрузкой в ящик прокаливают при температуре 800-900 °С. Все компоненты порошкообразных смесей просеивают через сито с размером ячейки 0,4-0,5 мм. Ящик, в котором проводят алитирование, обязательно должен быть снабжен плавким затвором. Вместе с деталями в ящик кладут по два-три контрольных образца, называемых свидетелями. С помощью таких свидетелей можно следить за ходом насыщения.

На рисунке 1 показана зависимость глубины алитированного слоя у стали 10 от продолжительности насыщения при различных температурах. Алитирование в расплавленном алюминии.

Сущность этого способа заключается в выдержке деталей в ванне с расплавленным алюминием при температурах 720 -850 °С. Поскольку в жидком алюминии некоторые детали могут растворяться, то для предотвращения такого процесса в ванну вводят 8-12 % железа. В составе ванны нежелательно иметь примеси меди, цинка и кремния, т.к. они затрудняют процесс насыщения.

Время выдержки может меняться в зависимости от вида деталей и их назначения от 15мин. до 1ч. При таких режимах можно получать алитированные слои глубиной 0,1…0,3 мм. Следует заметить, что при таком способе иногда может отмечаться повышение хрупкости, получаемого слоя. Поэтому, в целях устранения такого дефекта, детали после алитирования подвергают отжигу при температуре 950-1050 °С в течение 4-5 часов. При такой термообработке глубина слоя может увеличиться на 20-40 %.

В процессе алитирования на поверхности расплава рекомендуют создавать слой флюса, состоящего, например, из 40 % NaCl; 40 % KCl; 10 % Na3AlF6; 10 % AlF3. Такой флюс играет роль защиты и уменьшает процесс разъедания поверхности детали. На рисунке 2

показана зависимость глубины слоя у стали 10 от продолжительности алитирования в расплаве алюминия при различных температурах.

Алитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия на базе химического соединения Fe3Al. Такую фазу чаще называют ?-фазой. Концентрация алюминия в этой фазе может доходить до 30 % и более.

В настоящее время постепенно развивается и расширяется алитирование способом металлизации. Сущность этого способа заключается в напылении на поверхность детали слоя алюминия с последующим диффузионным отжигом при температуре 900-1000 °С. Перед отжигом деталь покрывают обмазкой, состоящей из 48 % серебристого графита, 30 % кварцевого песка, 20 % глины и 2 % хлористого аммония. Все компоненты замешиваются на жидком стекле и наносится на деталь толщиной 0,8-1,5 мм.

Температура, при которой происходит насыщение, составляет 900-950 °С. Сам процесс может длиться 2-4 часа. При таких режимах можно получать слой толщиной 0,2-0,4 мм. Наибольшее применение алитирование получило при производстве клапанов двигателей внутреннего сгорания, чехлов термопар и т.п. В принципе, алитирование можно назначать для любых деталей, работающих при высокой температуре, и которым, прежде всего, предъяляют требования высокой окалиностойкости.

Алитирование стали

На протяжении нескольких столетий основные эксплуатационные качества металлов изменялись при помощи химико-термического воздействия. Проведенные тесты указывают на то, что процент содержания определенных примесей в металле может оказывать влияние на его твердость, прочность, коррозионную стойкость и многие другие качества. Алитирование углеродистой стали – процесс насыщения поверхностного слоя изделия алюминием, который проходит при определенной температуре. Процесс алитирования стали достаточно сложен, при его проведении проводится установка определенного оборудования. Рассмотрим особенности проведения работы по насыщению поверхностного слоя стали и чугуна алюминием.

Алитируемые металлы и сплавы

Алитирование – это не только способ защиты поверхности. Оксидная пленка является прекрасной основой под лакокрасочные покрытия. Основными металлами, которые подвергают алитированию, являются:

1. Углеродистая сталь. При высоком содержании углерода в металле диффузия алюминия затруднена, поэтому обрабатывают преимущественно низко- и среднеуглеродистые стали.
2. Легированная сталь. Обработка данного металла сопряжена с определенными трудностями, однако при соблюдении всех технологических требований можно получить износостойкий защитный слой.
3. Чугун. Обработку чугуна выполняют реже. Целью является изменение физических свойств поверхностного слоя чугуна.

Процесс изготовления нержавеющей стали заключается в алитировании легированных или углеродистых составов.

Помимо вышеперечисленных металлов защитный слой наносят на следующие материалы:

• медь;
• титан;
• молибден;
• никель;
• ниобий.

Способы алитирования

Алитирование стали выполняют при температуре от 700 до 1100 °C в зависимости от характеристик заготовки. Известно несколько методов алюминирования поверхности:

• в порошкообразных смесях (калоризация);
• напылением;
• металлизация;
• в вакууме;
• погружением.

Каждый способ имеет преимущества и недостатки. Технические характеристики слоя также будут иметь разные параметры.

Алитирование стали методом погружения является наиболее предпочтительным.

Свойства и преимущества алитированных сталей

Алитированная сталь обладает рядом ценных качеств:

1. После хроматирования получается поверхность с высокой адгезией к лакокрасочным изделиям.
2. Низкая себестоимость покрытия позволяет использовать алитирование в качестве достойной альтернативы дорогостоящим жаростойким покрытиям.
3. Алюминизированная сталь обладает устойчивостью к механическим повреждениям.
4. При температуре свыше 470 °C образуется промежуточный сплав, который имеет высокую устойчивость к температурным воздействиям.
   Читайте также:  Чем отличаются нержи 12Х18Н10Т 08Х18Н10Т и какая у них твёрдость по аналогии с HRC

Лабораторные испытания показали, что при равной толщине слой алюминия в 2,5 раза крепче, чем цинковый.

Алитирование – это высокотехнологичный процесс, который придает поверхности обрабатываемого металла новые защитные свойства. А что вы думаете о технологии? Возможно, считаете, что есть более качественные методы металлизации? Поделитесь вашими мыслями в блоке комментариев.

Назначение процесса

Нормализация призвана менять микроструктуру стали, она выполняет следующее:

• снижает внутренние напряжения;
• посредством перекристаллизации измельчает крупнозернистую структуру сварных швов, отливок или поковок.

Цели нормализации могут быть совершенно разные. С помощью такого процесса твердость стали можно повысить или снизить, это же касается прочности материала и его ударной вязкости. Все зависит от механических и термических характеристик стали. С помощью данной технологии можно как сократить остаточные напряжения, так и улучшить степень обрабатываемости стали с помощью того или иного метода.

Стальные отливки такой обработке подвергают в следующих целях:

• для гомогенизации их структуры;
• чтобы увеличить подверженность термическому упрочнению;
• чтобы снизить остаточные напряжения.

Изделия, полученные посредством обработки давлением, подвергают нормализации после ковки и прокатки, чтобы сократить разнозернистость структуры и ее полосчатость.

Нормализация вместе с отпуском нужна для замены закалки изделий сложной формы или же с резкими перепадами по сечению. Она позволит не допустить дефектов.

Еще эта технология применяется, чтобы улучшить структуру изделия перед закалкой, повысить его обрабатываемость посредством резки, устранить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, а также подготовить сталь к завершающей термической обработке.

Технология процесса

Подготовка, насыщение азотом и финишная обработка верхнего слоя стали и сплавов подразумевает несколько ступеней:

1. Подготовительная термообработка металла, которая состоит из закалки и высокого отпуска. Внутренность изделия при этом становиться более вязкая и прочная. Закалка проходит при очень высокой температуре около 940 °С и заканчивается охлаждением в жидкости – масле или воде. Температурные условия отпуска составляют 600-700 °С , что наделяет металл твердостью годной для резки;
2. Механическая обработка заготовок, которая заканчивается шлифовкой. После этой процедуры деталь достигает нужных размеров;
3. Предохранительные меры для тех частей изделий, которые должны попасть под действие насыщения азотом. Для этого применяют простые составы вроде олова или жидкого стекла, наносимые слоем не более 0,015 мм путем электролиза. Происходит образованием тонкой пленки, непроницаемой для азота;
4. Азотирование стали по вышеописанной технологии;
5. Финишное доведение деталей до требуемого состояния.

При этом сложноформенные заготовки с тонкими стенками упрочняют при 520 °С.

По поводу изменения геометрических параметров изделий после процесса азотирования отмечено, что она зависит от толщины полученного азотонасыщенного слоя и примененных температур. Однако, данное изменение в любом случае незначительно.

Нужно отметить, что современные методы обработки металла способом азотирования проводят в печах шахтного строения. Максимальная температура которых может достигать 700 его проведения ˚С, циркуляция аммиака в таких печах принудительная. Муфель может быть встроенным в печь либо сменным.

Процесс будет проходить намного быстрее, если внедрить дополнительный муфель. Тогда запасной муфель с деталями загружается сразу же по готовности первого с обработанными заготовками. Однако, применение такого способа не всегда экономически оправдано, особенно при насыщении азотом крупных изделий.

Что дороже алюминий или нержавейка Справочник металлиста

Вот и закончился с горем пополам отопительный сезон, после которого вопрос о смене батарей встал на первый план. Прохудившиеся древние чугунные радиаторы пора отправлять на заслуженный отдых, поставив вместо них что-нибудь более современное.

Частные застройщики, при монтаже отопления, тоже зачастую не могут определиться с видом радиаторов. Наслушавшись продавцов в магазинах, расхваливающих самые популярные модели, несведущий покупатель бывает в растерянности.

И какие радиаторы лучше — алюминиевые или биметаллические, он так и не представляет. Быть может, взглянем на этот вопрос объективно?

Ребра, расположенные с внутренней стороны, позволяют значительно увеличить площадь отдачи тепла до 0,5 метров квадратных. Изготавливают радиаторы двумя методами.

Экструзионный метод дает дешевые и легкие изделия не самого высокого качества (в Европе таким методом не пользуются). Дороже, но долговечнее будут радиаторы, сделанные методом литья.

Один из видов алюминиевых радиаторов.

2. Биметаллические радиаторы делаются из двух различных металлов. Корпус, оснащенный ребрами, изготавливается из алюминиевого сплава. Внутри этого корпуса имеется сердечник из труб, по которым протекает теплоноситель (горячая вода из системы отопления). Эти трубы производятся либо из стали, либо из меди (причем последние у нас практически не встречаются). Диаметр их меньше, чем у алюминиевых моделей, поэтому больше вероятность засорения.

Внешний вид биметаллического радиатора весьма эстетичен, а дизайн удовлетворяет самые изысканные запросы. Все стальные его компоненты спрятаны внутри.

Назначение

Нормализация стали имеет разные функции кроме усиления ее твердости. В некоторых случаях нормализацию проводят с обратной целью для понижения прочности и ударной вязкости.

К основным целям нормализации металла относятся:

• Получение результата нивелирования напряжений. После проработки у стали появляются дополнительные параметры, что позволяет легче обрабатывать ее разными способами.
• Уменьшение разнозернистости и полосчатости структуры. В этом случае нормализации подвергаются предметы после ковки или проведения прокатки с использованием метода давления.
• Снижение риска деформации деталей, имеющих перепады по сечению резкого характера или конфигурацию сложной формы.
• Изменение крупнозернистой структуры стали на мелкозернистую. Нормализация помогает удалить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, улучшает ее способность к обработке и закалке.

Сульфоцианирование

Данная обработка в большей степени напоминает процесс цианирования. Поверхность насыщается не только углеродом и азотом, но также и серой. Сульфоцианированные детали в большей степени обладают такими же характеристиками как и цианированные. Лучше всего сульфоцианированные детали показали себя в механизмах на средних нагрузках. Благодаря немного другой схеме цианирования предупреждается схватывание и наволакивание металла.

Нормальная температура плавления смеси составляет 560-580 градусов. Обработку стальных сплавов проводят преимущественно в жидких средах, но также возможно и в газовых. Так как сульфоцианированные детали обладают чуть большей прочностью, то их использование оправданно в качестве поршневых колец, чугунных втулок, разнообразных запчастей насоса.

Виды термической обработки металла

Существует 3 основных вида термической обработки металла:

• отжиг;
• закалка;
• отпуск.

Также имеется еще и термохимическая обработка, которая относится к комбинированным методам придания материалу свойств повышенной твердости и износостойкости.

Отжиг

Суть отжига — металл нагревают до определенной температуры, держат необходимый промежуток времени, после чего медленно охлаждают до обычной комнатной температуры.

Чаще всего отжиг производится для решения следующих задач:

• увеличение механических показателей материала;
• приведения материала к однородному состоянию;
• улучшение пластичности;
• повышение уровня сопротивляемости;
• уменьшение внутреннего сопротивления материала для последующей ковки.

Отжиг — процесс, разделяющийся на несколько видов, в зависимости от нюансов проведения процедуры:

• диффузионный;
• полный или неполный;
• сфероидизация;
• изотермический;
• нормализация.

Методов отжига больше, но это основные и наиболее часто используемые.

Также процедура полного отжига подразумевает улучшения свойств материала для обработки и избавления от внутреннего сопротивления. Полный отжиг применяется для обработки:

• стали с минимальным количеством карбона;
• доэвтектоидного сплава.

При полном варианте процесса изделие доводят критической температуры ( точка А3) и после необходимого периода времени охлаждают до комнатных показателей. Так как конкретные параметры температуры зависят от вида используемых материалов. В следствии чего, время передержки также напрямую зависит от вида сплава, подвергающегося данному технологическому процессу.

При неполном отжиге конечная цель иная — по возможности создать более мягкий и пластичный материал. В этом случаи температура нагрева может достигать 770 градусов. Охлаждение делится на 2 этапа: сначала в печи, а затем уже на открытом воздухе.

Изотермическая разновидность отжига используется для высокохромистых сталей. При этом методе значительно экономится время производства, поскольку в одном из этапов охлаждения используется ускоренный процесс. Нет нужды ждать пока сталь остынет вместе с печью.

Закалка металла

При закалке происходит нагрев изделия до критических показателей. В следствии чего последующее охлаждение производится не постепенно и естественно, а резко и принудительно. При этом для снижения температуры применяются такие вещества как: сжатый воздух, водяной туман, а также жидкая полимерная закалочная среда. помимо прочности металл получает меньшие параметры вязкости и эластичности.

Способы закалки:

1. Использование одной среды — простой метод, который, однако, имеет ограничения по материалу использования. Происходит быстрое охлаждение и возникает неравномерность температур. Нельзя так обрабатывать металл с большим содержанием углерода, поскольку такой материал может разрушиться от агрессивного воздействия.
2. Многоступенчатая закалка — сначала металл термически обрабатывают, а после достижения необходимой температуры его укладывают в соляную ванну. Температура уравнивается и только потом материал охлаждают с использованием масла, воздуха или тумана.
3. Светлая закалка. При таком методе, сначала материал выдерживают в соляной ванне с добавлением хлористого натрия. Потом его же охлаждают в ванне с едким натрием и едким калием.
4. Самоотпуск. При таком способе деталь вытаскивается из системы охлаждения еще до того момента, как температура упадет. В центре заготовки или детали в это время еще сохранится высокий показатель температуры. После того, как закончен отпуск детали, ее охлаждают полностью с помощью погружения в специальную среду.
5. Изотермическое закаливание. Аналог ступенчатой закалки с более долгим временем передержки в соляной ванне.

Диффузионная металлизация судовых деталей

Диффузионной металлизацией принято называть метод обработки сталей либо других металлов и сплавов, при которой поверхностный слой изменяется внедрением молекул других элементов.

Все это происходит при очень высоких температурах в специальной среде.

Результатом такой обработки является физическое укрепление слоя, а также повышение его жаростойкости, увеличение сопротивляемости процессу коррозии – поверхность менее изнашивается во время эксплуатации.

В отличие от нитроцементации и цианирования, где атомы углерода с азотом непосредственно внедряются в кристаллическую решетку стали, диффузионная металлизация предполагает более сложный процесс, когда атомы других элементов образуют со сталью так называемые растворы замещения, поэтому такой процесс длительный и требует применение более высоких температур, превышающих 1000 градусов по Цельсию.

Описание технологии и ее назначение

Метод диффузионной металлизации позволяет получить обработанную толщину слоя стали от 10 микрон до 3 миллиметров. Вне зависимости от того, каким металлом насыщают поверхностный слой носителя, технология получения имеет несколько сходных этапов:

1. Физическая очистка детали, которая будет подвержена диффузионной металлизации. На этом этапе с поверхности удаляются любая грязь, пыль, жировые образования и слой окисла.
2. Помещение изделия в рабочую среду. Это может быть окунание в жидкий расплав, засыпка металлсодержащими порошками, распыление металла на поверхность детали.
3. В некоторых случаях, как при диффузии алюминия, присутствует этап нанесения жаропрочного покрытия поверх распыленного на заготовку расплава.
4. Помещение внутрь специальной печи, где создается высокая температура, иногда превышающая 1000 градусов по Цельсию. На этом этапе под термическим воздействием печи атомы проникают в поверхностный слой изделия, что может длиться очень долго.
5. После обработки деталь достают из бокса, промывают, проводят удаление остатков порошка.

Чтобы заготовка имела хороший вид (особенно это касается металлизации декоративных элементов), ее следует подвергнуть дополнительной обработке методом механической полировки.

Диффузионная металлизация деталей судна

Диффузионная металлизация — насыщение поверхностного слоя детали каким-либо элементом для придания поверхности определенных свойств. Наиболее распространены следующие виды диффузионной металлизации:

• алитирование — насыщение алюминием для повышения жаростойкости;
• хромирование — насыщение хромом для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, твердости и износостойкости;
• силицирование — насыщение кремнием для повышения коррозионной стойкости и кислотостойкое;
• сульфидирование — насыщение серой для повышения противозадирных свойств и износостойкости;
• фосфатирование — насыщение фосфором для улучшения прирабатываемости и износостойкости.

Контейнеровоз Alasa ipspotting.com

Насыщение производят на глубину 0,3—0,9 мм, выдерживая нагретую деталь (в среднем до температуры 500— 600°С) в соответствующей среде в течение определенного времени (нескольких часов).

В последнее время применяют комплексные термохимические методы обработки деталей:

• сульфоцианирование;
• хромосилицирование (насыщение хромом и кремнием);
• боросилицирование;
• корбоборирование (насыщение углеродом и бором);
• хромоазотирование и др.

Такие покрытия обладают большой поверхностной твердостью и высокой износостойкостью.

Появились новые способы термохимической обработки:

• ионные;
• энерговыделяющими пастами.

Первые способы основаны на наибольшей активности газа, которая проявляется в ионизированном состоянии, — ионное азотирование, ионное цементирование и т. д. Ионную термохимическую обработку производят в герметически закрытой камере в атмосфере тлеющего дугового или искрового разряда.

Суть ионных способов можно проследить, например, на ионном азотировании. Деталь помещают в камеру, из которой откачивают воздух. Камеру заполняют газообразным аммиаком и производят электрический разряд.

В данном случае электроды являются анодом, а деталь — катодом. Аммиак диссоциирует, распадаясь на ионы азота и водорода.

Электрическое поле разгоняет их, ионы начинают бомбардировать поверхность деталиМетоды упрочнения и повышения долговечности деталей, и азот быстро насыщает поверхностные слои.

Контейнеровоз Aurora, Северное море ipspotting.com

При втором способе деталь покрывают энерговыделяющей пастой, которую поджигают. При горении пасты поверхность детали сильно разогревается (до 600—800°С), а датирующие элементы, содержащиеся в пасте, проникают в верхние слои детали. Через 2—3 мин обгоревшую деталь погружают в воду для охлаждения.

С помощью энерговыделяющих веществ в судовых условиях можно производить:

• алитирование;
• борирование;
• корбонитрирование и другие виды термохимической обработки.

Виды диффузионной металлизации

Классификацию видов диффузионной металлизации можно провести по нескольким признакам. В первую очередь по типу металла, который будет посредством диффузии проникать внутрь поверхностного слоя. Здесь выделяют:

1. Алитирование, когда термохимическим способом деталь насыщают атомами алюминия.
2. Хромирование – диффузионное насыщение стали атомами хрома.
3. Титанирование – внедрение атомов титана в поверхностный слой стали.
4. Цинкование, когда термохимическим способом металлическую деталь насыщают элементарными частицами цинка.
5. Силицирование – диффузионное насыщение стали кремнием.
6. Борирование – получение высокопрочного поверхностного слоя металла путем внедрения туда атомов бора диффузионным способом.

По состоянию среды, где протекает обработка металла диффузионным способом, металлизация проводится:

• в твердой среде;
• в жидкой среде;
• в газообразной среде.

Твердая металлизация

Этот тип металлизации проводят посредством использования активной твердой среды на основе ферросплавов.

Под эту категорию подпадают ферросилиций, ферроалюминий, феррохром (перечисленные компоненты вводят в рабочую область как порошки), плюс к ним еще добавляют аммоний хлористый (NH4Cl), не превышающий 5% от общей массы твердого компонента. Засыпанные порошком детали помещают внутрь специальной печи.

Насыщение в твердой среде проводят для стали, кобальта, никеля, титана и других металлов при температуре от 1000 до 1500 градусов по Цельсию.

При повышении температуры до рабочего уровня аммоний хлористый начинает вступать в реакцию с ферросплавом, результатом чего является выделение нестойких термических хлоридов металла CrCI2, AlCI3, SiCI4 и других. Эти хлориды, соприкасаясь со стальной поверхностью, начинают диссоциировать. Выделяется химически активный элемент, который проникает в поверхностный слой изделия, насыщая его.

Близкие по сути процессы термообработки

В перечень термообработки сталей, помимо нормализации, можно внести операции:

• отжиг;
• отпуск;
• закаливание;
• криогенная обработка и несколько других.

Операция отжига обеспечивает качественную, более тонкую структуру перлита, это происходит потому, что охлаждения деталей применяют печи. Назначение этой операции — понижение неоднородности структуры, удаления напряжений, повышение обрабатываемости.

Основы, заложенные в операцию закаливания, идентичны принципам нормализации, но существуют некоторые различия. Например, при закаливании применяют температуры куда как выше и высокие скорости охлаждения. Закаливание проводит к улучшению прочностных характеристик, твердости и пр. Но, нередко заготовки прошедшие через закаливание отличает сниженная вязкость и высокая хрупкость.

Отпуск деталей применяют после операции закаливания. Отпуск снижает хрупкость и внутренние напряжения. При этом диапазон температур ниже, чем тот, который используют в нормализации. Охлаждение деталей проводят на воздухе. При повышении температуры снижается предел прочности, твердость и в то же время растет ударная вязкость.

Свойства плазменного напыления

Работая с металлоконструкцией, порой надобно дополнить ее дополнительными свойствами, чтоб можно было использовать в любой сфере.

Таким образом поверхность станет еще больше резистентной к влаге, высокой температуре и химии.

Диффузная металлизация обладает многими особенностями, которые делают ее уникальной среди других видов обработки металла.

1. В силу воздействия высоких температур (пять-шесть тысяч градусов) в разы ускоряется процедура обработки поверхности. Сам процесс происходит за доли секунд, и получается отличный результат.
2. В результате получается комбинированный шар. Наносить можно не только элементы металла, то и газовые частицы из струи плазмы. Таким образом металлическая поверхность покрывается атомами определенных элементов металла.
3. Если проводить классическое металлическое напыление, то нанесение происходит неравномерно, весьма долго и с окислительными процессами. А вот с помощью горячей плазмы получается правильная температура и давление, из-за которых формируется высококачественное покрытие.
4. Плазменная струя переносит частицы металла и газов со скоростью света, что вы даже ничего не поймете. Так, происходит сварка с порошками, стержнями, прутками и проволоками. После образуется слой в несколько микрон-одного миллиметра на основании конструкции.

Технология цементации стали, ее сущность и назначение — методики и видео

В зависимости от специфики применения различных металлов и сплавов нередко производится их дополнительная обработка. Это позволяет выделить (усилить) те или иные свойства образца. Что представляет собой цементации стали, зачем она нужна, в каких случаях целесообразно ее проводить – об этом читатель в доступной форме узнает из предлагаемой статьи.

Существуют различные методики химико-термического воздействия на материалы. Одна из них – цементация. Применяется данная технология для сталей малоуглеродистых и легированных, содержание элемента «С» в которых не превышает 0,25%.

Назначение – повышение таких характеристик сплава, как износостойкость, прочность, твердость.

Для реализации чаще всего используются специальные печи, где процесс протекает при высокой температуре – порядка 945 (±15) ºС.

В зависимости от габаритов и конструкционных особенностей изделия оно выдерживается в таких условиях в течение нескольких часов. По сути, это комплексная обработка детали (химическая + термическая) с целью придания ей твердости.

Пастами

Технология самая простая, но не всегда применимая. Для деталей, имеющих сложную конфигурацию, с различными выступами, пазами и тому подобное, она явно не подходит.

Методика – поверхностное нанесение цементирующей пасты на образец. Ее слой выбирается большим по сравнению с расчетной глубиной проникновения углерода в сталь (примерно в 7 раз).

Условия – температурный режим выставляется в зависимости от вида пасты, в пределах от 900 до 1 000 ºС.

Такую цементацию стали можно провести и в домашних условиях, при наличии сушильного шкафа с требуемыми параметрами.

Газовой средой

Одна из самых эффективных методик, которая широко применяется в промышленности. Она существенно упрощает процесс цементации, сокращает время обработки стали и повышает производительность. Главное условие – правильно подобрать смесь по долевому содержанию углерода и оптимальный температурный режим.

Методика – продукция загружается с цементационную печь, в которую подается газ.

Кипящим слоем

Такой способ лишь отчасти напоминает предыдущий.

Методика – в печи, на решетке газораспределительной, помещается так называемый корунд. Эндогаз (смесь, в которую вводится метан) подается снизу и, поднимаясь, его разжижает, вследствие чего мельчайшие фракции начинают перемещаться вместе с потоком к обрабатываемому изделию. При высокой температуре происходит диффузия частичек корунда, и как результат, насыщение поверхностного слоя образца углеродом.

Особенность – степень цементации легко регулировать, изменяя подачу газа. Такая технология позволяет равномерно насыщать сталь по всей площади.

Такой способ, с учетом затрат и небольшой сложности, специалисты рекомендуют использовать при мелкосерийном производстве заготовок.

Твердым карбюризатором

В качестве насыщающей среды при такой технологии цементации используются полукоксы каменноугольный, торфяной или древесный уголь с гранулами от 3 до 10 мм при обязательном добавлении веществ, инициирующих процесс (активизаторов).

Методика – обрабатываемые образцы помещаются в металлическую емкость, на песчаный затвор. Они располагаются так, чтобы со всех сторон их можно было обложить слоем карбюризатора. Следовательно, соприкосновение изделий со стенками резервуара или друг с другом не допускается.

Условия цементации – температура 925 (±25) ºС. Время выдержки зависит от слоя насыщающей среды. Определяется из расчета: на 0,1 мм – 1 час термической обработки. Процесс можно ускорить, доведя нагрев до 975 – 980 ºС. Это сокращает время проведения технологической операции, но повышает эн/затраты и снижает качество готового продукта. На его поверхности образуется сетка, которую придется удалять.

В ряде случаев это довольно сложно, например, если изделие характеризуется рельефностью.

Поверхностное упрочнение

Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя.

Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев.

В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры.

Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами.

2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

Методы изменения структуры

Из методов упрочнения без изменения химического состава поверхности, но с изменением ее структуры, наиболее распространены способы поверхностной закалки и различные виды поверхностного пластического деформирования (ППД).

В сущности, деформация поверхности – это наиболее простой способ, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Здесь использован следующий принцип.

Если вспомнить кривую деформационного упрочнения, то окажется, что чем больше растягиваем металл, тем больше металл сопротивляется, тем больше сила растяжения Рmax (до определенного предела, конечно). Упрочняется металл и при кручении, и при сжатии.

В технологиях ППД поверхностный слой металла деформируют (наклепывают) различными способами.Основное назначение ППД – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 0,2—0,4 мм.

Разновидностями ППД являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование, накатка рельефа и др.

Дробеструйная обработка — обработка дробью поверхности готовых деталей. Применяется для упрочнения деталей, удаления окалины. Дробеструйной обработке подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину.

Обработка роликами улучшает микрогеометрию изделия.

Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия. Обкатка роликами применяется при обработке валов, калибровке труб, прутков. На рис. 1 показан упрочненный поверхностный слой образца стальной оси железнодорожного вагона из стали 45.

Микроструктура слоя представляет собой деформированные зерна феррита и перлита. Накатка роликом измельчила структуру, в поверхностном слое отдельные зерна неразличимы (рис.1,а). Там, где деформация была меньше, можно различить структуру, которая имеет направленность, характерную для деформации (рис.1,б).

Глубину упрочнения контролируют по изменению микротвердости (рис.2).

Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после накатки роликом

Рисунок 2. Изменение микротвердости по глубине поперечного сечения валов различного диаметра.

Иглофрезерование при помощи фрез, на поверхности которых находится от 200 тысяч до 40 миллионов плотно расположенных игл из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2—0,8 мм, также позволяет проводить упрочнение поверхности деталей.

Иглофрезерование применяют для обработки плоских и цилиндрических поверхностей, а также для очистки деталей от окалины. При иглофрезеровании тоже образуется упрочненный поверхностный слой (рис. 3). В данном случае упрочненный слой состоит из деформированных зерен феррита и перлита (рис.3, а).

На поверхности, подвергавшейся обработке, видны следы фрезы (рис.3,б).

Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя стали 20ХНР (а), исходное состояние-нормализация; поверхность после иглофрезерования (б).

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои стальной детали быстро нагревают выше температуры закалки, а затем охлаждают со скоростью выше критической. Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины.

Нагрев, в принципе, может быть осуществлен разными способами. В промышленности самым распространенным способом поверхностного упрочнения является индукционная закалка с нагревом токами высокой частоты. Как правило, упрочненный слой виден уже при макроструктурном анализе (рис. 4). Слева – нетравленный участок образца. Он сильнее отражает свет при съемке, поэтому выглядит темным.

Справа – участок после травления. Закаленный слой хорошо виден.

Рисунок 4. Фрагмент автомобильной детали; макроструктура

И при макроструктурном, и при микроструктурном (рис.5,а) анализе видно, что упрочненная зона состоит из 2 слоев: светлый у самой поверхности и далее более темный. Верхний светлый слой имеет структуру мартенсита закалки (рис.5,б). Мартенсит образовался при быстром охлаждении поверхности.

Более темный слой – мартенсит отпуска (рис.5,в). Это тот мартенсит, который тоже образовался при ускоренном охлаждении, но дольше находился при повышенной температуре, чего оказалось достаточно для того, чтобы произошел отпуск.

В сердцевине детали на разной глубине могут быть сорбит или троостит (рис.5,г).

Рисунок 5. Микроструктура слоя (на рис.4), полученного закалкой ТВЧ: а – слои мартенсита закалки и отпуска, б – мартенсит закалки, в- мартенсит отпуска, г – троостит и мартенсит в сердцевине.

Методы изменения структуры и состава

К методам упрочнения с изменением химического состава и структуры поверхности относится химико-термическая обработка (ХТО). Она заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами при высокой температуре.

В зависимости от насыщающего элемента существуют следующие разновидности химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация (цианирование), борирование, диффузионная металлизация (алитирование, хромирование, силицирование и т.д.).

Общим для всех видов поверхностного упрочнения является повышение твердости поверхностного слоя. Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов. Наиболее широко используется цементация – насыщение поверхности стали углеродом.

Цементация придает поверхности стали высокую твердость и износостойкость при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска.

Цементации обычно подвергаются детали, изготовленные из сталей с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и приложения знакопеременных нагрузок: среднеразмерные зубчатые колеса, втулки, поршневые пальцы, кулачки, валы коробок передач автомобилей, отдельные детали рулевого управления и т.д.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, уменьшающуюся от поверхности к сердцевине стальной детали. Поэтому структура, которая формируется при цементации в поверхностном слое, будет иметь разное соотношение перлита, феррита и цементита. Различают четыре основные зоны стального изделия после цементации (рис.6 ):

Рис. 6. Микроструктура углеродистой доэвтектоидной стали 10 после цементации.

1 – заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементитной сетки (рис.7а);2 – эвтектоидная зона, представляющая собой перлит (рис.

7б);3 –доэвтектоидная зона, в которой по мере приближения к сердцевине уменьшается количество углерода, перлита, а количество феррита возрастает (рис.7в);4 – исходная, без изменения после цементации, структура стального изделия .

За глубину цементированного слоя «h» принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половину доэвтектоидной зоны, где количество феррита и перлита составляет по 50%.

Рисунок 7. Структура зон цементованной детали: а – заэвтектоидная зона (цементит + перлит), б – зона эвтектоида (перлит), в – доэвтектоидная зона (перлит + феррит).

Рисунок 8. Изменение твердости в поверхностном слое после цементации и термической обработки

Азотирование представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом и чаще всего проводится при температурах 500—600 оС.

Азотирование, так же как и цементация, повышает твердость и износостойкость поверхности стали. На рис.9 показана серия отпечатков при измерении микротвердости на поперечном шлифе азотированного образца.

Вверху – упрочненный слой (темная полоса). Диаметр отпечатков снижается по мере приближения к поверхности. Там твердость выше.

Рисунок 9. «Дорожка» отпечатков микротвердости; стальная деталь после азотирования

Азотированный слой как правило, имеет белый цвет. Сам слой при металлографическом травлении не изменяется, а под ним сталь имеет структуру, соответствующую термической обработке (рис.10). На рис.11 показана автомобильная деталь и изменение микротвердости по разным «зубьям».

Рисунок 10. Азотированный слой на стали 40ХГНМ

Рисунок 11. Автомобильная деталь (а) и изменение микротвердости (б) ее поверхностного слоя после азотирования

В настоящее время широко применяется плазменное и ионно-плазменное азотирование. Структура поверхностного слоя после такой обработки представляет собой мелкодисперсный мартенсит (1), под которым находится переходная зона (2); глубже располагается не изменившаяся структура (3) (рис. 12).

Рисунок 12. Структура поверхностного слоя после обработки плазмой азота; сталь У8А

Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве. Борирование приводит к существенному повышению твердости поверхности. Борирование проводят в порошковых смесях, электролизом.

Есть также жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование и борирование из обмазок (паст). Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na2B4O7). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.

На поверхности образца после борирования формируется плотный белый слой боридов (рис.13). Белый слой состоит из переплетающихся столбчатых кристаллов состава FeB и Fe2B. На строение боридного слоя влияет состав стали. В стали 25ХГТ (рис. 13, а) и в стали 45 (рис. 13, б) между кристаллами боридов есть зона твердого раствора.

В стали 40Х (рис. 13, в) слой составляют только протяженные иглы боридов. Между борированным слоем и сердцевиной формируется зигзагообразная граница раздела.

Рисунок 13. Структура борированных слоев в сталях 25ХГТ (а), 45 (б), 40Х (в)