Файл: Контрольная работа По курсу Материаловедение.doc

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции:2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560oС в течение24…90часов, так как скорость азотирования составляет0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6мм. На поверхности получают твердость около1000HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение5…60мин при напряжении1100…1400В и давлении0,1…0,2мм рт. ст., рабочее напряжение400…1100В, продолжительность процесса до24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700oС, продолжительность процесса – 10часов. На поверхности образуется слой - фазы толщиной0,01…0,03мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии.

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

---

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCNс добавками солейNаCl, BaClи др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое0,2…0,6 %, толщина слоя0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридовFe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает56…62HRC.

На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре530…570oС, в течение1,5…3часов. Образуется поверхностный слой толщиной0,02…0,004мм с твердостью900…1200HV.

---

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора сHClилиCL2образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная метализацияпроводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200oС) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

---

6. Цементация твердым карбюризатором: химические реактивы, оборудование, технологический процесс и область применения

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 в количестве 10…40 %.Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:



Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

• 
  значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);
  
• 
  низкая производительность процесса;
  
• 
  громоздкое оборудование;
  
• 
  сложность автоматизации процесса.
  

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

Этот вид цементации особо широко применяется в единичном, мел­косерийном и ремонтном производствах. В качестве науглероживающей среды берут древесный (березовый) толченый уголь, смешанный с ускори­телями процесса. Эта смесь называется карбюризатором. Ускорителями цементации являются углекислые соли бария или натрия в количестве 20- 25% от веса древесного угля. Размер частичек карбюризатора должен быть в пределах 3,5 - 30 мм. В производстве применяют карбюризатор в виде сме­си 20-25% свежего и 75-80% использованного карбюризатора.

Сущность цементации заключается в том, что при химико­термическом процессе в результате взаимодействия кислорода воздуха с углем и химических процессов распада углекислых солей получается диффу­зионный (атомарный) углерод, который при высоких температурах способен проникать в глубь кристаллических решеток гамма-железа (Feγ). На процесс диффузии существенно влияют легирующие элементы Большинство карби­дообразующих элементов (хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др.) повышают концентрацию углерода в поверхностном слое. Такие легирую­щие элементы как кремний, никель, медь и другие ускоряют процесс диф­фузии углерода.

---

Технология цементации сталей в твердом карбюризаторе заключает­ся в следующем. На дно металлического сварного ящика насыпается кар­бюризатор высотой слоя 10-20 мм. Затем укладывают детали на расстоянии 20 мм друг от друга и от стенок ящика. Уложенные детали засыпают кар­бюризатором так, чтобы его слой над ними был не менее 20 мм. Карбюри­затор слегка утрамбовывают, а крышку ящика промазывают огнеупорной глиной. После этого ящик устанавливают в печь, подогретую до 600°С, а за­тем поднимают температуру до 910-950°С и при этой температуре выдержи­вают определенное время, зависящее от толщины цементованного слоя и наличия в стали легирующих элементов. Для углеродистых и низколегиро­ванных сталей время цементации принимают один час на 0,1 мм глубины цементованного слоя.

Процесс образования диффундирующего углерода следующий. При нагреве углерод (древесный уголь) взаимодействует с кислородом воздуха по реакции: 2С + О2 = 2СО. В дальнейшем при температуре 910-950°С окись углерода разлагается по реакции: 2СО → СО2 + [С]диф.

Диффузионный (атомарный) углерод диффундирует (проникает) в ме­талл. Углекислый газ, выделенный при разложении окиси углерода, взаи­модействует с углем по реакции: СО2 + С = 2СО, затем процесс повторяет­ся. Одновременно с разложением окиси углерода идет разложение углекис­лых солей по реакциям: ВаСО3 → ВаО + СО2; NaCO3 → Na2О + СО2

Углекислый газ взаимодействует с углем, образуя окись углерода СО2 + С = 2СО. Окись углерода разлагается по реакции: 2CO→CО2 + [С]диф. Далее реакция повторяется.

После цементации производят закалку и низкий отпуск.

Список источников и литературы

1. 
   Акулич Н.В. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Мн. 2008. - 285 с.
   
2. 
   Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учебник для высш. техн. учеб. заведений / Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г.Мухин и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. – 657 с.
   
3. 
   Барташевич А.А. Материаловедение: учебное пособие/ Бахар Л.М., Барташевич А.А. – М.: Феникс, 2006. – 352 с.
   
4. 
   Дриц М. Е., Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Металлургия. 1990. – 255 с.
   
5. 
   Заплатин В.С. Справочное пособие по материаловедению.- М.: ОИЦ «Академия», 2007.
   
6. 
   Заплатин В.С. Основы материаловедения. – М.: Академия, 2008.
   
7. 
   Материаловедение. Под ред. В. Т. Батиенкова. М.: Металлургия, 2005. – 256 с.
   
8. 
   Прусаков Б.А. Металловедение и термическая обработка металлов: справочник/ Прусаков Б.А., Борисов И.А., Воронцова Л.А. – М.: Фолиум, 2006. – 432 с.
   
9. 
   Технология металлов и конструкционные материалы. Под ред. Б. А. Кузьмина. М.: Металлургия, 1989. – 312 с.
   

---