Основные виды химико-термической обработки, их сравнительная технико-экономическая оценка
БЕЛОРУССКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
международных экономических отношений ФМО
Реферат
на тему:
Основные
виды химико-термической обработки, их сравнительная технико-экономическая
оценка
Исполнитель:
студентка 1-го курса
специальности
«Мировая экономика»
Нессон
Екатерина Витальевна
Руководитель:
кандидат экономических наук,
кандидат
технических наук, доцент
Бахмат
Владимир Афанасьевич
Минск, 2012
Содержание:
цементация
азотирование цианирование
Введение
Общая характеристика процессов ХТО
Классификация процессов ХТО
Цементация
Азотирование
Нитроцементация и жидкое
цианирование
Заключение
Литература
Введение
Задолго до открытия явления диффузии процессы
химико-термической обработки использовались для упрочнения металлических изделий.
Например, известно, что в глубокой древности проводили цементацию
(науглероживание) железа. Наиболее древний образец науглероженного изделия,
найденный в храме Артемиды, датирован II в. до н.э. Уже тогда ремесленники
заметили, что железо, прокаленное в древесном угле, становится более твердым.
Что же касается настоящего времени, то для
современного машиностроения характерна непрерывно растущая энергонапряженность
и тяжелые условия эксплуатации машин.[1]Поэтому для повышения долговечности и
надежности машин широко используется химико-термическая обработка (ХТО).
По сравнению с другими методами поверхностной
обработки металлов (дробеструйный наклеп, накатка роликами, индукционная,
газопламенная и электролитная закалка, лазерная обработка и т.д.) химико-термическая
обработка, часто уступая им в производительности, имеет ряд существенных
преимуществ:[2]
ХТО можно подвергать детали любых размеров и
конфигураций. Как правило, детали сложной конфигурации подвергать
поверхностному упрочнению иными методами весьма сложно или вообще невозможно.
основная опасность, возникающая при всех
термических методах поверхностного упрочнения, - перегрев поверхности, при ХТО
или отсутствует, или может быть устранен последующей термообработкой изделий.
ХТО применяют:
. Для поверхностного упрочнения металлов
и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионной
прочности, сопротивления кавитации);
. Для повышения сопротивления химической
и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и
повышенных температурах;
. Для придания изделиям требуемых
физических свойств (электрических, магнитных, тепловых);
. Для придания изделиям соответствующего
внешнего вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
. Для облегчения технологической
обработки металлов давлением, резанием и другими способами.
Общая характеристика процессов
химико-термической обработки
Химико-термическая обработка - нагрев и выдержка
металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких
температурах в химически активных средах (твердых, жидких или газообразных). В
подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью
обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами, которые
называют насыщающими элементами или компонентами насыщения. Иногда
химико-термическую обработку проводят и с прямо противоположной целью - для
удаления из сплава тех или иных элементов.
Основные процессы любого вида ХТО: диссоциация -
абсорбция - диффузия.
Диссоциация - получение насыщающего
элемента в более активном, атомарном состоянии: , и т.д.
Абсорбция - захват поверхностью детали
атомов насыщающего элемента с образованием химических связей между ионами
насыщающего элемента и основного металла (хемосорбция);
Диффузия - перемещение захваченного
поверхностью атома насыщающего элемента вглубь обрабатываемого изделия. [3]
В результате всех процессов ХТО
формируется диффузионный слой, т.е. изменяются химический и фазовый состав
поверхностных слоев обрабатываемого материала, что обусловливает изменениях
структуры и свойств.[4]
Важнейшим условием образования
диффузионного слоя (необходимым, но недостаточным) является существование
растворимости насыщающего элемента в насыщаемом металле при температуре
химико-термической обработки. При выполнении указанного условия диффузионный
слой образуется, если соблюдаются требуемые температурно-временные условия
обработки.
Классификация процессов ХТО
На Схеме 1 приведена классификация процессов
химико-термической обработки в зависимости от количества насыщающих элементов,
участвующих в процессе, и их природы.
Широкое промышленное применение получили только
традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация и
цианирование. Именно эти виды ХТО мы рассмотрим далее. Цинкование,
алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяются значительно
реже.
Цементация
Трудно назвать такую отрасль
промышленности , где бы не
использовалась цементация. Особенно широко - в автомобильной, тракторной,
авиационной промышленности и сельхозмашиностроении.
Цементацией (науглероживанием) называется
химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении
поверхностного слоя стали углеродом при нагреве (чаще 900 - 950 ˚С) в
углеродосодержащей среде (карбюризаторе). Углерод растворяется в слое железа
лишь в том случае, когда химический потенциал его в насыщающей среде выше, чем
железе (стали). Диффузия углерода в железо возможна только в атомарном
состоянии. [1]
Окончательные свойства цементованные стали
приобретают после последующей термической обработки (закалки и низкого
отпуска). Сама же цементация обеспечивает лишь необходимое распределение
углерода от поверхности к сердцевине.
Назначение цементации и последующей термической
обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость,
повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при
сохранении вязкой сердцевины.
Цементация производится в углеродонасыщенных
твердых, жидких или газообразных средах (карбюризаторах) основные составы
которых приведены в табл. 1.[5]
Таблица 1. Основные составы твердых, жидких и
газообразных карбюризаторов [6]
|
Состав
карбюризатора
|
Твердые
карбюризаторы
|
Древесный-березовый
уголь в смеси с 20-25 % ВаСО3 и 3,5-5 % СаСО3
|
|
Каменноугольный
полукокс в смеси с 10-15 % ВаСО3 и 3,5-5 % СаСО3
|
Жидкие
карбюризаторы
|
78-85
% СО3 или K2СО3 +
10-15 % NаСl + 6-8 % SiС
|
Газообразные
карбюризаторы
|
Эндотермическая
среда (20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2) + до 5 % природного газа
(СН4)
|
|
Экзо-эндогаз
(20 % СО, 20 % Н2, 60 % N2) + 0,5-5 % СН4
|
|
Газы,
получаемые из керосина, различных спиртов и других углеводородов,
непосредственно в печи для цементации
|
При твердофазной цементации процесс ведут
следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики,
которые загружают в печь, нагретую до температур от 600-700°С, и нагревают до
температуры цементации - 930-950 °С. По окончании процесса цементации ящики
вынимаются из печи - охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на
воздухе.
К числу недостатков цементации в твердых
карбюризаторах относятся:
ü большая трудоемкость процесса;
ü низкая производительность
(длительность процесса до 11 - 14 часов);
ü трудность регулирования содержания
углерода в слое;
ü неблагоприятные
санитарно-гигиенические условия труда (угольная пыль, грязь);
ü невозможность регулирования степени
насыщения;
ü невозможность проведения закалки
непосредственно после цементации;
ü дополнительный непродуктивный расход
энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п.
Жидкостная цементация производится при
температуре 840-860° С. Время выдержки от 30 мин до 2,5 ч.[7] Глубина
цементованного слоя 0,3-0,7 мм.
Основные достоинства жидкостной цементации в
соляных ваннах:
ü равномерность нагрева;
ü возможность непосредственной закалки
из цементационной ванны;
ü небольшие деформации обрабатываемых
деталей.
ü сравнительно небольшая длительность
процесса
Скорость цементации в соляных ваннах
с течением времени замедляется. Поэтому данный процесс применяют обычно для
получения слоя до 0,3 мм. (Если добавить в ванну еще 5-8% хлористого аммония (), то это ускорит процесс, к тому же
одновременно с науглероживанием произойдет и некоторое насыщение азотом).
[8]Жидкая цементация с получением небольшого слоя успешно применяется для
мелких и тонкостенных деталей, например для различных нормалей.
Косновным недостатками цементации в жидком
карбюризаторе следует отнести:[6]
ü неравномерность глубины
цементованного слоя;
ü необходимость частых регенераций углеродо
насыщенного расплава (через каждые 3 часа ванну следует освежать, добавляя SiCиСО3, а одни раз в месяц - полностью
менять).
Газовая цементация заключается в том, что
цементируемые детали нагревают и выдерживают при температуре 900-1100°С в печи,
куда в течение всего процесса подается цементирующий газ. [9]. Для этой цели
используют генераторный, светильный, природные газы и продукты пиролиза
(разложения) керосина. Газовая цементацияобеспечивает: [6]
ü наибольшую равномерность по толщине
и свойствам цементованного слоя, в итоге чего повышается качество цементируемого
слоя.
ü снижает время, затрачиваемое на
процесс химико-термической обработки, так как нагрев и охлаждение производятся
со значительно большими скоростями, чем это можно осуществить в цементационных
ящиках; в итоге повышается производительность процесса;
ü позволяет производить закалку
изделий непосредственно после цементации;
ü возможность точного регулирования
процесса цементации путем изменения состава цементующего газа;
ü отсутствие громоздкого оборудования
и угольной пыли.
Итак, наиболее совершенным, управляемым и
экономичным является процесс цементации газовым карбюризатором, получивший
наибольшее распространение в серийном и крупносерийном производстве
цементованных изделий.
Азотирование
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения
поверхностного слоя стали азотом. [3] Азотирование, как правило, производят
газовым методом в электрических печах периодического действия или в печах
непрерывного действия.
Процесс азотирования происходит
следующим образом. Изделия загружают в плотно закрывающийся муфель, который
помещают в электрическую печь. По трубке в муфель подается аммиак (). Процесс азотирования протекает
при температурах 500 - 600°. При этих температурах аммиак диссоциирует
(разлагается) на свои составные части - азот и водород: . Образовавшийся атомарный азот
поглощается поверхностью изделий, а водород с неразложившейся частью аммиака выходит
из муфеля по отводящей трубке.[11]
Азотирование очень сильно повышает
твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и
сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др.Твердость
азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется
при нагреве до высоких температур (450 - 500 ˚С) , тогда как твердость
цементованного слоя сохраняется только до 200 - 225 ˚С [3].
Высокая твердость азотированного
слоя объясняется тем, что азот, проникая в поверхность металла, образует
химические соединения с элементами, входящими в состав стали, - алюминием,
хромом, молибденом и др. Такие соединения называют нитридами. Они имеют высокую
твердость, а главное - выделяются в виде очень мелкодисперсных частиц.[10]
Процесс азотирования имеет также и
некоторые технологические преимущества перед цементацией:
ü после азотирования не требуется
закалка,
ü процесса на 350-400°С ниже, чем при
цементации
ü коробление деталей при азотировании
получается меньшим.
Серьезным недостатком азотирования является
большая длительность этого процесса. Цикл азотирования длится до двух суток. К
тому же для азотирования приходится применять дорогие легированные стали, и
потому детали получаются в 2-3 раза дороже, чем обычные.
Тем не менее, азотирование - один из наиболее
распространенных методов обработки ответственных сталей, использование которого
в промышленно развитых странах постоянно расширяется. Как показывает практика,
применение азотирования особенно эффективно для разнообразных сопряжений, где
основной причиной разрушения поверхностей является трение. Этот метод ХТО
широко используется в авиационной, машиностроительной, автомобильной, нефтяной
промышленности. Азотированию подвергают режущий и мерительный инструменты, детали
пресс-форм для литья цветных сплавов [2].
Нитроцементация и жидкостное цианирование сталей
Нитроцементация и жидкостное
цианирование стали - процессы химико-термической обработки, заключающиеся в
высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Причем
процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах
принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах, состоящих из
науглероживающего газа и аммиака <#"579549.files/image007.gif">и нейтральные соли (NaCl, KC1,, , и др.). Цианистые соли являются
источником поверхностного насыщения стали углеродом и азотом.В зависимости от
температуры процесса, различают три вида цианирования:[2]
1. Высокотемпературное
(930 - 950°С). Применяется для деталей, требующих большой толщины диффузионного
слоя (0,5 - 2,0 мм).Время насыщения - 1,5 - 6 часов.
2. Среднетемпературное
(820 - 860°С). Время насыщения от 30 мин до 1 часа. Применяется для обработки
мелких и тонкостенных деталей.
3. Низкотемпературное
(560 - 580°С). Время насыщения - 30 мин - 3 ч. Применяется для упрочнения
режущего и штамповочного инструмента.
При более высокой температуре процесса в
насыщенном слое увеличивается содержание углерода, а азота растворяется меньше.
Снижение температуры цианистой ванны ведет к повышению концентрации азота в
насыщенном слое.
Недостатком жидкостного цианирования является
сильная ядовитость цианистых солей. Поэтому цианистые ванны устанавливают в
отдельном помещении, с вентиляцией у каждой ванны. При работе на цианистых
ваннах требуется большая осторожность и тщательное соблюдение всех правил
техники безопасности.
Нитроцементация производится в специально
герметически закрытых печах с жаропрочными муфелями и специальными устройствами
для подачи газа и аммиака при температуре 840-860°С, время насыщения - от 2 до
10 часов. В процессе этого вида ХТО обычно образуется диффузионный слой от 0,8
до 1,0 мм. Дальнейшее насыщение идет крайне медленно, что значительно удорожает
процесс.
По сравнению с жидкостным цианированием
нитроцементация имеет следующие преимущества:[14]
ü безопасность процесса благодаря
отсутствию ядовитых цианистых солей;
ü возможность регулирования процесса
путем изменения содержания углерода и азота в газовой среде;
ü более низкую стоимость
обработки(стоимость цементующего газа и аммиака ниже стоимости цианистых
солей).
ü возможность применения
высокопроизводительных агрегатов непрерывного действия, что ведет к удешевлению
процесса насыщения деталей азотом и углеродом.
Нитроцементация имеет некоторые технологические
преимущества и по сравнению с газовой цементацией.
ü более низкая температура процесса
(840- 860° С вместо 900-950° С);
ü меньшая продолжительность процесса;
ü меньшее выделение сажи;
ü большая износостойкость деталей;
ü увеличение срока службы печи и
уменьшение расхода топлива (удешевление процесса).
Нитроцементации подвергают детали сложной
конфигурации, склонных к короблению.
Заключение
Химико-термическая обработка в ряде случаев
является единственно возможным средством получения требуемых эксплуатационных
свойств не только поверхности, но и изделия в целом. Более того, она позволяет
получить такое сочетание свойств упрочняемого изделия, которое другими методами
получить невозможно. В результате всех процессов химико-термической обработки
достигается гораздо более существенное различие свойств сердцевины изделия и
его поверхностных слоев, чем при других методах поверхностной обработки. Это
обусловлено тем, что при механических и термических методах поверхностного
упрочнения изменяется только строение приповерхностных микрообъемов, а при ХТО
в результате диффузии изменяется их химический фазовый состав.
Основными видами ХТО, наиболее часто
употребляемыми сегодня в промышленности, являются процессы насыщения углеродом
и азотом. Из всех существующих способов науглероживания стали наиболее
эффективными и экономически выгодным является процесс газовой цементации,
получивший наибольшее применение в серийном и крупносерийном производстве.
Поверхностные слои, получаемые азотированием, обладают более высокой твердостью
по сравнению с цементованными слоями в связи с образованием нитридов в
поверхностных слоях стали. Однако этот процесс очень сильно повышает
себестоимость изделий из-за его низкой производительности. Но, несмотря на это,
азотирование широко используется для обработки ответственных деталей.
Цианирование и нитроцементация - процессы насыщения стали азотом и углеродом
одновременно. Причем второй процесс является более выигрышным по сравнению с
первым ввиду его безопасности и более низкой стоимости обработки. Как можно
было заметить, сегодня наиболее эффективными и качественными процессами ХТО
являются регулируемые процессы насыщения в газовых средах: азотирование,
цементация, нитроцементация.
Многокомпонентные диффузионные слои еще не нашли
широкого промышленного применения. В то же время именно за новыми и, как
правило, многокомпонентными диффузионными слоями будущее.
С каждым годом число процессов ХТО, используемых
в промышленности, будет увеличиваться. Это обусловлено все возрастающей
стоимостью специальных сталей и сплавов, а также возможностью их замены менее
дефицитными материалами, упрочненными ХТО. Следовательно, необходимы дальнейшие
систематические исследования как теоретического, так и прикладного характера
для усовершенствования этого метода поверхностного упрочнения изделий. Освоение
космоса, развитие скоростного машиностроения и электроники требуют создания
качественно новых материалов, поэтому дальнейшее развитие должна получить
химико-термическая обработка цветных и тугоплавких металлов, а также твердых
сплавов и композиционных материалов. Дальнейшее развитие техногенной
цивилизации требует оптимизации уже известных и разработки новых технологий
термической и химико-термической обработки. [2]
Литература:
1.
Лахтин,
Ю. М. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985. - 424с.
2.
Ворошнин,
Л.Г.Теория и технология химико-термической обработки : учеб.пособие / Л.Г.
Ворошнин, О.Л. Менделеева, В.А. Сметкин. - М.: Новое знание, 2010. - 304 с.
3.
Технология
металлов и материаловедение/ [Б. В. Кнорозов, Л. Ф. Усова, А. В. Третьяков и
др.]. - М.: Металлугрия, 1987. - 800с.
Химико-термическая
обработка металлов: // Википедия - свободная энциклопедия: URL:
<http://ru.wikipedia.org/wiki/Химико-термическая_обработка_металлов>. (Датаобращения:
2.11.2012).
Цементация:
// Металлообработка.Су: URL: <http://www.metalloobrabotka.su/cementacia.html>. (Датаобращения:
2.11.2012).
Таблица
1: Составы углероднасыщенных сред (карбюризаторов), применяемых в процессе
цементации сталей, и режимы химико-термической обработки изделий: //
Металлообработка.Су: URL: <http://www.metalloobrabotka.su/tabl1.html>.
(Датаобращения: 2.11.2012).
Жидкостная
цементация: // Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск:
URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/3k/7-10-3.htm>.
(Датаобращения: 2.11.2012).
Достоинства
жидкой цементации: // Цветная металлургия: URL:
<http://ssgpo.kz/dostoinstva-zhidkoj-cementacii/>. (Датаобращения:
2.11.2012)
Жидкостная
цементация: // Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск:
URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/3k/7-10-2.htm>. (Датаобращения:
2.11.2012).
Азотирование://
Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск: URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/100/53.htm>.
(Датаобращения: 2.11.2012).
Химико-термическая
обработка: Азотирование: // Ковка-пром.Ру: URL: <http://www.kovka-pro.ru/himiko-term-obrabotka/azotirovanie.html>. (Датаобращения:
2.11.2012).
1. Герасимов
С. А. Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и
сплавов / С. А. Герасимов, Л. И. Куксенова, В. Г. Лаптева. - М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2012. - 518, [2] с. : ил.
Нитроцементация:
// Металлообработка.Су: URL: <http://www.metalloobrabotka.su/nitrocementacia.html>. (Дата
обращения: 2.11. 2012).
Нитроцементация:
// Официальный сайт ООО "Дельта Технология", г. Шадринск: URL: <http://delta-grup.ru/bibliot/100/63.htm>. (Дата
обращения: 2.11. 2012).
1.
Борисенок
Г. В., Васильев Л. А., Ворошнин Л. Г. Химико-термическая обработка металлов и
сплавов. Справочник. - М.: Металлургия, 1981. - 255 с.