Хіміко-термічна обробка сталі

Термічна обробка сталі, внаслідок якої змінюється хімічний склад поверхневих шарів, називається хіміко-термічною обробкою. Виріб нагрівається у спеціально вибраному середовищі та зміна хімічного складу поверхні відбувається завдяки переходу та впровадженню атомів цієї речовини в кристалічну решітку сталі.

Процес проникнення однієї речовини в іншу при їхньому зіткненні називається дифузією. Залежно від середовища, в якому нагрівається виріб, розрізняють декілька видів хіміко-термічної обробки. Найбільш поширеними з них у промисловості є: цементація, азотування та ціанування.

Цементація

Процес цементації полягає у насиченні поверхневого шару металу вуглецем. Кількість вуглецю на поверхні металу після правильно проведеного режиму цементації має дорівнювати 0,9-1,0%. Цементації піддають вироби із маловуглецевої сталі. Цементовані вироби після гарту набувають дуже високої твердості поверхневого шару, зберігаючи м'яку в'язку серцевину. Це поєднання має велике значення для деталей машин, що працюють на тертя та одночасно на удар або скручування (шестірні, шпинделі, поршневі пальці та ін.). Тверда поверхня цементованих деталей добре пручається стирання, а в'язка серцевина оберігає від поломки при ударах.

В інструментальному виробництві цементація застосовується при виготовленні мірного інструменту, пристроїв, деяких видів монтажного інструменту і т.п.

Цементують сталь у твердому, газовому та (рідко) рідкому середовищах, здатних віддати свій вуглець. Ці середовища звуться карбюризаторів.

Цементація у твердому карбюризаторі. В якостітвердого карбюризатора у промисловості широко застосовується суміш деревного вугілля з вуглекислими солями (вуглекислим барієм, вуглекислим натрієм, вуглекислим кальцієм).

Для приготування карбюризатора вугілля подрібнюють на шматочки розміром 3-10 мм і просівають для видалення пилу. Вугілля вживають дубове або березове, так як вугілля з м'яких порід швидко згоряє. Вуглекислі солі подрібнюють на порошок і просівають через дрібне сито.

Перший спосіб, при якому виходить найбільш рівномірна суміш, полягає в наступному: розчиняють сіль у воді, поливають цим розчином вугілля, перемішують і висушують. Допустима вологість 5-7%.

Другий спосіб полягає в ретельному перемішуванні вугілля та солі у сухому вигляді. Погано перемішаний карбюризатор дає нерівномірний шар цементації, плямистість.

Багато заводів застосовують готовий карбюризатор, виготовлений Бондюзьким заводом, з вугілля та кількох видів вуглекислих солей. Карбюризатори, що виготовляються заводами для потреб, зазвичай складаються з 85-90% деревного вугілля і 10-15% за вагою вуглекислого натрію (кальцинованої соди). Для цементації застосовують суміш із 20-30% свіжого карбюризатора та 70-80% відпрацьованого. На окремих заводах застосовують замість вугілля тирсу, додають в карбюризатор обвуглену кістку, шкіру і т. п. Проте всі ці добавки, а також заміна вугілля тирсою, погіршують якість цементації.

Деталі, що надходять для цементації, повинні бути сухими та очищені від окалини, іржі, бруду, олії, стружки тощо.

Запобігання поверхням виробів, що не підлягають цементації. Ділянки деталей, які за технологічними умовами не повинні цементуватися, оберігають від навуглерожування такими способами:

1. Залишенням припуску у виробах, що обробляються різанням. У місцях, непідлягають цементації залишають припуск більший, ніж задана глибина цементації. Перед гартуванням цей припуск видаляється на верстаті.

2. Накладання обмазки. Як обмазку, що накладається на місця, що не підлягають цементації, застосовуються: а) глина, змішана з рідким склом; б) суміш із глини, піску та азбестової дрібниці, замішана на рідкому склі; в) суміш із термоізоляційного порошку або кварцового піску (75%) і дрібної окалини (25%), просіяних через сито з осередками 1 х 1 мм.

3. Уповільнення. Ділянки, що не підлягають цементації, покривають шаром міді завтовшки 0,03-0,04 мм. Цей спосіб потребує спеціального гальванічного обладнання.

4. Фосфатування. Місця, що підлягають цементації, попередньо покриваються цапон-лаком, після чого виріб повністю занурюється у ванну з гарячим водним розчином фосфатів ортофосфорної кислоти, при цьому непокриті місця виробів фосфатуються, що можна спостерігати виділення бульбашок на поверхні розчину. Припинення виділення бульбашок свідчить про закінчення фосфатування. Процес простий та надійний.

Деталі, що підлягають цементації, пакують у ящики з карбюризатором. Ящики найкраще виготовляти формою деталей. Це зменшує час для прогрівання ящиків та покращує якість цементованого шару. Проте виготовляти такі ящики раціонально лише за цементації великих кількостей деталей. У всіх інших випадках ящики виготовляють круглі, квадратні або прямокутні, розміри їх вибираються в залежності від розміру печі та кількості виробів, що в них завантажуються.

Найбільший розмір ящиків при цементації в печах середньої величини 250 x 500 x 300 мм при товщині матеріалу від 4 до 8 мм. Матеріалом для ящиків служить жаростійка сталь, а за її відсутності - звичайна маловуглецева сталь. Приупаковці деталей у ящики слід витримувати відстань між деталями 10-20 мм, а між деталями та дном 20-30 мм (фіг. 12).

При упаковці деталей карбюризатор щільно трамбується, а ящик зверху обмазується сумішшю з двох частин глини та однієї частини річкового піску, розведених водою до тестоподібного стану. Свідки вкладаються в ящик для визначення глибини цементації: один усередину пакета для пред'явлення контрольному майстру, а два зовнішні для контролю ведення процесу самим робітником. Свідки виготовляються із сталі марки 15 або 20 діаметром 8-12 мм.

Технологічний процес цементації Перед завантаженням ящиків у піч треба підсушити обмазку, щоб вона не розтріскалася. Завантаження проводити в піч, нагріту до 900 - 950 °. Внаслідок завантаження холодних ящиків у піч температура останньої дещо знизиться. Наскрізне прогрівання ящиків проводити при температурі 780-800 °. Фактично закінчення прогріву визначають за кольором подової плити; при недостатньому прогріванні плита під ящиком буде темною, а при повному прогріванні колір подової плити скрізь однаковий. Після прогрівання ящиків при температурі 780-800 ° швидко піднімають температуру до 900 - 950 ° і виробляють процес цементації. Швидке нагрівання ящиків до температури цементації відразу після посадки їх у піч не рекомендується, тому що внаслідок великої різниці температур між центром та краями ящика глина цементації буде неоднакова. Тривалість витримки залежно від глибини шару, що цементується, наведена в табл. 12.

Закінчення процесу цементації визначають за зламу загартованого свідка. Один із свідків виймається з шухляди і загартовується приблизно за годину до передбачуваного закінчення цементації, а другий - до моменту вивантаження.

Глибину цементованого шару найкращевизначати шляхом травлення зламу загартованого свідка реактивом, що складається зі 100 см 3 денатурованого спирту, 1 см 3 соляної кислоти та 2 г хлористої міді.

Тривалість травлення – одна хвилина. Місця не цементовані покриваються міддю.

Охолодження ящиків після цементації виробляють на повітрі. Розпакування гарячих ящиків не рекомендується, так як це не безпечно в протипожежному відношенні і не витрачається карбюризатор.

Газова цементація

Процес газової цементації, розроблений радянськими вченими М. А. Мінкевичем, С. К. Іллінським та В. І. Просвіріним, здійснюється шляхом нагрівання деталей в атмосфері газів, що містять вуглець. Порівняно з цементацією у твердому карбюризаторі цементація в газовому карбюризаторі має такі переваги: відпадає необхідність приготування карбюризатора; скорочується час перебування ящика з деталями печі; зменшується кількість необхідної робочої сили та площ цеху та значно покращуються умови праці. Деталі, що підлягають цементації, закладають у муфель печі, підігрітий до 900-950 °, герметично закривають та подають газ.

Для газової цементації застосовуються: 1) природний газ (дашавський, саратовський, пріазовський); 2) штучний газ; 3) генераторний газ тощо.

Зі штучних газів найбільше застосування отримав газ, що готується шляхом розкладання нафтопродуктів. Процес приготування газу такий: гас подається краплями в нагріту сталеву посудину і там розкладається на суміш газів (процес розкладання називається піролізом). Частина піролізного газу піддають додаткової обробки - крекінг-процесу, при якому змінюється склад газу, так як при цементації одним піролізним газом виходять щільні відкладення сажі на деталях, мала глибина цементації і т.д.Для цементації застосовують суміш із 40% піролізного газу та 60% крекованого газу.

Термічна обробка цементованих виробів

Цементовані деталі піддаються гартуванню та відпустці. Загартування роблять подвійне або одинарне. При подвійному загартуванні перша проводиться при температурі 860 -900° для поліпшення структури серцевини, а друга при температурі 760 -800° для надання твердості зовнішньому шару.

На деяких заводах вважають раціональним робити одинарне загартування при температурі 760-800°. Інструменти, що піддаються цементації, повинні мати високу твердість і тому для них можна обмежитися одинарним гартуванням, крім випадків, обумовлених у технології. Після гарту виробу піддають низькотемпературній відпустці для зняття внутрішніх напруг. Інструмент, що проходить газову цементацію, можна жарити безпосередньо з муфеля цементаційної печі, злегка остудивши його на повітрі.

Азотування та ціанування

Азотування. Процес азотування полягає у насиченні поверхневого шару сталі азотом. В результаті азотування цей шар набуває дуже високої твердості і зберігає її при нагріванні до 530-550 °. Для азотування застосовують головним чином сталь, що містить алюміній, хром та молібден.

Процес азотування полягає у пропущенні аміаку через герметично закупорений муфель, в якому знаходиться деталь. Температура азотування 500-600 °. Газ, що складається з азоту та водню, при цій температурі розкладається на складові, з яких азот проникає в сталь, а водень видаляється з печі. Дифузія азоту в сталь відбувається дуже повільно – протягом 40-90 год. Велика тривалість процесу та крихкість азотованого шару є недоліками цього виду обробки.

Ціанування. Процеснасичення поверхневого шару стали азотом та вуглецем називається ціануванням. Розрізняють два види ціанування: високотемпературне при 750 -850° і низькотемпературне при 530-560°. В інструментальній справі застосовують в основному низькотемпературне ціанування інструментів, виготовлених із швидкорізальної сталі для підвищення їх стійкості. Ціанування проводиться в рідкому, газовому та твердому середовищах.

Рідке ціанування проводиться у розплавлених ціаністих солях. Глибина ціанування залежить від складу ванни та тривалості витримки.

Ціануванню піддається остаточно оброблений і заточений інструмент, тому процес слід вести ретельно як щодо дотримання температур, так і в частині обережного поводження з інструментом.

Газове ціанування проводиться у суміші аміаку з газом, що містить вуглець. Деталі завантажуються в муфель печі, нагрітий до 530-560°, потім подаються в нього аміак і газ, що містить вуглець, після чого піч герметично закривається. При температурі 530-560 ° відбувається розкладання газів з виділенням азоту та вуглецю, якими насичується поверхня сталі. Як газ, що містить вуглець, застосовують природний, генераторний, піролізний гази і т. п. Суміш для газового ціанування зазвичай складається з 15-40% аміаку і 60-85% газу, що містить вуглець. Тривалість витримки печі коливається від 45 хв. до 2,5 годин і залежить від розміру інструменту.

Тверде ціанування проводиться у суміші сухого деревного вугілля (60-70%) та жовтої кров'яної солі (30-40%). Приготування суміші, упаковка в ящики та обмазка проводяться так само, як і цементації. Тривалість витримки від 1 до 3 год. Залежно від розмірів інструменту. Після закінчення витримки ящик охолоджується повітря до температури 100-200°, післячого розпаковується.

Автор:АдміністраціяЗагальна оцінка статті:Опубліковано:2012.05.13

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _