ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термическая обработка (ХТО) - заключается в сочетании термического и химического воздействий, с целью изменения химического состава, структуры и свойств стали. ХТО может производиться металлами и неметаллами, а также представлять собой насыщение или удаление. Насыщение или удалениенеметаллов - ХТО, которая заключается в диффузионном насыщении матеpиала неметаллами или диффузионном удалении неметаллов из матеpиала, с целью изменения химического состава, структуры и свойств.

К насыщению неметаллами относятся следующие операции ХТО: цементация, азотирование, бориро-вание, нитроцементация, цианирование, сульфоцианирование.

К удалению неметаллов относятся обезуглероживание - диффузионное удаление углерода из поверхностного слоя стали и обезводороживание - диффузионное удаление водорода из стали.

К насыщению металлами относятся следующие операции ХТО: алитирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали алюминием в интервале температур 700-1100° С с целью получения высокой окалиностойкости (до 850-900°С) за счет образования на поверхности пленки окиси алюминия; силицирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали кремнием в интервале температур 800-1100°С с целью повышения износостойкости и коррозионной стойкости; цинкование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали цинком в интервале температур 300-500 и 700-1000°С в расплаве цинка, порошке или парах цинка с целью повышения коррозионной стойкости стали; хромирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом в интервале температур 900-1200°С с целью повышения коррозионной стойкости, твердости и износостойкости; титанирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали титаном; хромоалюминирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом и алюминием в интервале температур 900-1200° С; хромосилицирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом и кремнием в интервале температур 900-1200°С.

Цементация - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Цементацию проводят в области температур, где устойчивой фазой является аустенит, позволяющий растворить большое количество углерода. После цементации проводятся закалка и низкий отпуск. В результате цементации и последующей ТО поверхностный слой приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Азотирование - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагреве стали до 500-650°С в аммиаке. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии. Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного, и сохраняется до более высоких температур (450-550°С) по сравнению с цементированным, имеющим мартенситную структуру (200-250°С).

Борирование - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при электролизе расплавленной буры Na₂B₄O₇ при 930-950°С.

Нитроцементация - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840-860°С в газовой смеси необработанного природного газа и аммиака. После нитроцементации проводятся закалка и отпуск. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Преимущества перед цементацией - более низкая температура процесса; меньшая толщина слоя; меньшие деформации и коробления деталей; повышается сопротивление износу и коррозии.

Цианирование - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом в расплавах цианидов. Цианирование может быть высоко-(800-950°С) и низкотемпературным (450-650°С). После цианирования детали подвергаются закалке и отпуску. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью и эффективно повышает предел выносливости. Применяется для упрочнения мелких деталей.

Сульфоцианирование - ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали одновременно азотом, углеродом и серой.

Деформационно-термическая обработка (ДТО)- обработка, заключающаяся в сочетании деформационного и термического воздействий с целью изменения структуры и свойств матеpиала. ДТО стали подразделяется на термомеханическую(ТМО) и механико-термическую (МТО).

ТМО - ДТО стали, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше А_c3, выдержке пластической деформации аустенита и последующем его превращении, с целью получения особой мартенситной структуры. Может проводиться после закалки, но до искусственного старения.

МТО - ДТО, заключающаяся в пластической деформации матеpиала при температуре выше или ниже температуры начала рекристаллизации и последующем старении (для стали: с целью получения полигональной структуры).

ТМО стали подразделяется, в свою очередь, на высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО). ВТМО - ТМО стали, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше А_c3, выдержке, пластической деформации (ковка, пpокатка и т.п.) при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. НТМО - ТМО стали, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше А_c3, охлаждении до температуры относительной устойчивости (метастабильности) аустенита ниже температуры начала рекристаллизации, пластической деформации при этой температуре и последующем быстром охлаждении.

МТО стали подразделяется на высокотемпературную, дорекристаллизационную и низкотемпературную.

Высокотемпературная МТО - обработка, заключающаяся в нагреве матеpиала до температуры разложения избыточных фаз, пластической деформации при этой температуре, быстром охлаждении и последующем старении.

Дорекристаллизационная МТО - обработка, заключающаяся в пластической деформации матеpиала при температуре ниже температуры начала рекристаллизации и последующем старении.

Низкотемпературная МТО - обработка, заключающаяся в пластической деформации матеpиала при низких температурах и последующей длительной выдержке при комнатной температуре

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ПОД ТЕРМИЧЕСКУЮ, ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКИ И ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ

Для термической и химико-термической обработки металлических изделий применяются различные виды электротермического оборудования, среди которых наибольшее распространение получили электрические печи сопротивления.

Электрические печи сопротивления по уровню температуры в их рабочей камере можно разделить на

низкотемпературные; среднетемпературные; высокотемпературные.

К низкотемпературным относятся печи с номинальной температурой 300-700° С. Среднетемпературные охватывают печи с номинальной температурой от 700° С до 1250 ° С. В высокотемпературных печах номинальная температура выше 1250 °С.

По конструктивному исполнению электрические печи сопротивления подразделяются на печи перио-дического и непрерывного действия.

В печах периодического действия нагреваемые изделия загружаются в рабочую камеру и постепенно нагреваются в ней, оставаясь неподвижными. В печах непрерывного действия изделия загружаются с одного конца печи и, перемещаясь постепенно по ее длине, прогреваются и выдаются с другого ее конца нагретыми до заданной температуры.

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Печи периодического действия подразделяются на следующие типы: камерные; камерные с выдвижным подом; шахтные; колпаковые; элеваторные.

Виды технологических процессов термической и химико-термической обработки, которые проводятся в электропечах сопротивления периодического действия, представлены в табл. 121.1.

Камерные печи обладают такими преимуществами, как простота конструкции, универсальность применения для различных технологических процессов и изделий. К их недостатками относятся сложность механизации загрузки и выгрузки нагреваемых изделий, сложность создания в печи газовой среды заданного состава при кратковременных режимах термообработки, высокий расход газов контролируемых атмосфер.

Шахтные печи имеют такие преимущества, как простота, компактность конструкции, легкость обслуживания и механизации процесса загрузки и выгрузки изделий с помощью цеховых подъемно-транс-портных механизмов, простое обеспечение герметичности печи. К недостаткам этих печей можно отнести сложность их эксплуатации с применением контролируемых атмосфер печи при кратковременных режимах термообработки.

Колпаковые печи имеют следующие преимущества: надежность в эксплуатации, возможность создания в рабочем пространстве любой защитной атмосферы. Недостатком таких печей является необходимость использования при их эксплуатации цеховых кранов большой грузоподъемности для перемещения колпака (т.е. муфельной камеры печи) с одного рабочего места на другое. Кроме этого для их эксплуатации требуется большая высота цеха.

Элеваторные печи обладают таким преимуществом,что в них садка нагревается более равномерно,

лучше герметизация рабочего пространства и меньший расход электроэнергии, чем в камерных печах с выдвижным подом. Основной их недостаток - это сложность конструкции.

ЭЛЕВАТОРНЫЕ ПЕЧИ

Опасные и вредные факторы, возникающие при термической обработке в первую очередь обусловлены ее видом, применяемым оборудованием и рабочими средами (с контролируемой атмосферой, с расплавами солей, воздушные, вакуумные и т. д.). К основному оборудованию термических цехов относят печи, нагревательные и охлаждающие устройства Кроме основного оборудования в термических цехах применяют дополнительное (для правки, очис-тки поверхностного упрочнения, нанесения гальванических покрытий ит.д.), вспомогатель-ное (для получения контролируемых атмосфер средства механизации, подъемно-транспорт-ное, вентиляторы, воздуходувки, маслоохладительные системы, складское и пр.) и контрольное (приборы контроля качества изделий, теплового режима, состава атмосферы, управления процессами и т.д.). Основными вредными или опасными производственными факторами при термической обработке могут быть(ГОСТ 123004-75), ОСТ 105-699-79) следующие:

1. Повышенная загазованность или запыленнность воздуха рабочей зоны. Токсичными газами,, содержащимися в составе контролируемых атмосфер и исходных газах являются: окись углерода СО, аммиака NНз, диokсид серы SO₂, сероводород H₂S, бензол C₆H₆ и др. Появление резкого запаха некоторых газов например аммиака, сер­нистых газов, пропана является предупреждением о неполадках. В процессах термической обработки могут применяться цианистые соли (KCN, NaCN и др) - сильнейшие яды. В при-сутствии влаги, кислот, а также упекислоты содержащейся в воздухе, цианистые соли выделяют цианистый водород (синильная кисчота HCN) вызы­вающий быстрое удушье вследствие паралича тканей дыхательных органов. При работе с расплавами образуются выделения и может про­исходить их разбрызгивание в результате химических реакций про­текающих как на обрабатываемом материале, так и на поверхности раздела рабочих сред и атмосферы (реакции с кислородом, влагой). При этом пары щелочей, lмелеие капли водяного пара в сочетании с карбонатами,нитратами, гидроокисями и другими солями могут быть причиной респиративных раздражений, возденствуя на слизистую оболочку, органы зрения, аэрозоли могут вдыхаться и заглатываться.

2. Повышенная напряженносгь элекгромагнитных полей. При эксплуатации высокочастотных установок на окружающую среду оказывают влияние электромагнитные поля. Их допустимые значения равны

3. В термических цехах может возникнуть взрывопожароопасность. В большинстве случаев это происходит при работе с контролируе­мыми атмосферами, с соляными, щелочными пе-чами,ваннами, при использовании масел для нагрева и охлаж-дения. Контролируемые атмосферы,как и всякие горючие газы, взрыво­опасны, когда в замкнутом объеме образуется газовоздушная смесь определенного соотношения. Наиболее взрывоопасным из газов, при­меняемых в контролируемых ат-мосферах, является водород, имеющий очень широкие пределы воспламенения. Водород опасен и тем, что вследствие малой плотности он скапливается под сводами печей и под крышей помещения и образует там взрывоопасные смеси.Вы-сокую опасность представляют диссоциированный аммиак (из-за значительного содержания в нем водорода) и эндотермический газ (ввиду высокого содержания водорода и окиси углерода).Сжиженные газы пропан и бутан, обладая большей плотностью, чем воздух, могут скапливаться в нижних точках помещения и образовывать там взрывоопасные смеси. Взрыв и возгорание возможны при применении масел в процессе термической обработки.

Температура воспламенения газов ву смеси с воздухом