Дәріс. Химия-термиялық өңдеу (ХТӨ).

Химия-термиялық өңдеу деп бұйымдардың бет қабаттарының микроқұрылымы мен қасиеттерінің химиялық құрамы өзгеретің процессті атайды. Беттердің химиялық құрамы қатты, сүйық немесе газды қоршаған ортаны қыздыруына байланысты өзгереді. Беттердің химиялық құрамы өзгерумен бірге оның фазалық құрамы мен микроқұрылысы да өзгереді. ХТӨ-ның негізгі параметірлері – қыздыру температурасы, ұстау уақыты. ХТӨ түрлерінің негізгі процесстері – диссоциация-абсорбция-диффузия.

Диссоциация – активті, атомарды жағдайында қаннықан элементті алу: 2NH₃↔2N+3H₂, CH₄↔C+2H₂ және т.б.

Абсорбция —қаннықан элементтің атомдары бұйымның бетің жаулап алу.

Диффузия — бұйымның бетің жаулап алған атомның бұйымынң ішіне қозғалу.

Осы үш процесстердің жылдамдылықтары келіскен болу керек. Абсорция мен диффузия үшін қанығатын элементтің негізгі металмен қарым қатынасы жақсы болу керек, қатты ерітіңді немесе химиялық қоспа пайда болу үшің. Егер негізгі металл мен қанығатын элемент механикалық қоспа болса, онда химия-термиялық өңдеу мүмкін емес.

Диффузиялық процесстер қатты ерітіндінің еңуі пайда болған кезде жеңіл өтеді, орына басу қатты ерітіндіге қарағанда. Бұл, орына басу қатты ерітіндің пайда болған кезде басқа атом вакансияға кіреді немесе металл-ерітіндінің атомның орнына барады деп түсіндіріледі. Соңғы жағдайда негізгі атом өзінің теңдік жағдайынын жылжып дислоциациялық жағдайға келу керек.

Химия-термиялық өңдеу бұйымның беттерің беріктендірудың бір әдісі болып табылады. Сонымен қатар беттік беріктендіру жоғары тоқтың жиілігімен шынықтыру, бұйымның бетің ұсатқышпен өңдеу кезіңдеде болады.

Химия-термиялық өңдеудің негізгі түрлері цементеу (көміртектіндіру), азоттау, циандау (көміртекпен азотпен қанықтыру), диффузиялық металлизация (бетті алюминиймен, кремниймен т.б. қанықтыру).

Цементтеу деген – химия-термиялық өңдеу кезіңде бұйымдардың беттері көміртекпен қанығу. Бұйымдарды көміртегің тез бересалатың ортада қыздырады. Цементтеуге көміртегі аз (0,1—0,2% С) болаттарды жібереді. Керекті режимді алып қабатты керекті тереңдікке көміртекпен қанықтырады. Цементтеудің тереңдігің бұйымның бетінен аймақтын жартысына дейің құрылысында перлитпен бірге бірдей феррит болуын есептейді. Цементтелген тереңдігі 1-2 мм құрайды, бірақ бұдан да үлкен болу мүмкің. Цементтеудің дәрежесі – беттік қабатында көміртектің орташа құрамы (1,2% С аспайды).

Цементтеу ден кейің бұйымдарды шынықтыру мен төмен жасытуға апарады. Бұл бұйымдардың ішкі ортасын жұмсақ етіп сақтап бет қабаттарының қаттылығын арттырады. Цементтеуден кейің беттік қабатында қысу кернеулер пайда болады, ол төзімділік шегің және бұйымның ұзақ жұмыс істеуін ұлғайтады. Цементтеуді қатты, сүйық және газді карбюризаторларында өткізеді. Газды цементтеу басқаларға қарағанда кең таратылған.

Газды цементтеу кезінде бұйымдарды көміртегі бар газды атмосфералы герметикалық пештерде қыздырады. Газды цементтеу үшің табиғи газды қолданады (92—96% метан бар) немесе керосин, бензол - сүйық көмірсутекті пиролизімен алынған жасанды газдарды қолданады.

Көміртектінің тотығына қарағанда метан активті карбюризатор. Fe_α көміртектіні ерітпейді, сондықтанда цементтеу кезіңде бұйымдарды Аз (930—950°С) нүктесінен жоғары қыздырады. Осындай температурада болатта аустениттің құрылысы болады, ол 2% С дейің ериді. Цементтеудің терендігі температурадан және осы температурада ұстау уақытына байланысты болады. Цементтеудің жылдамдылығы 1 сағатта ұстауы 0,1 мм құрайды. Көбінесе цементтеудің тереңдігі 1,0—1,5 мм шартынан аспайды, сондықтан бүкіл процесс 8-12 сағатта өтеді. Көп ұстау немесе цементтеудің температурасын жоғары көтерген жағдайда аустениттің түйіршігі қатты өсіп кетуі мүмкің, ол цементтелген қаббатың қасиеттерің төмендетеді, бұны жою үшің тағы шынықтыру қажет болады.

Қатты карбюризатормен цементтеу. Бұндай әдісте бұйымдарды металды жәшіктерге орналастырады араларына қатты карбюризаторды себеді – ағаштың күлі (көлемнің 75-80%) мен активизаторлардың қоспасы - олар BaCO₃, Na₂CO₃.

Жәшіктерді қақпаларымен жабады, өтқа төзімді балшықтармен жағып. Содан кейің оларды пештерге орналастырады да берілген (900—950°С) температурасына дейің қыздырады. Соңында жәшіктерді пештен алып суытады және бұйымдарды шығарады.

Қатты цементтеудің процессі газды цементтеуге қарағанда біраз кемшіліктері бар: уақыты ұзақ (көмекші операциялары көп); автоматтандыру мен бақылауға қиын беріледі; қондырғылары үлкен т.б. Сондықтан газды цементтеу арзан және тез.

Цементтеуден кейің бұйымның бетінде эвтектоидтан кейінгі болаттың қабаты пайда болады ол перлит пен екінші цементиттен тұрады. Бұйымның бет қабатынан тереңірек көміртектін құрамы төмендейді және келесі аймақ перлиттен тұрады. Содан кейің ферриттің түйіршіктері пайда болады олардың саны бет қабатынан ұлғайған сайын көбееді сонында алғашқы болаттын құрылысы болады. Цементтеуден кейің бұйым керекті қасиеттерді ала алмайды. Ол термиялық өңдеуменнен алынады. Барлық бұйымдарды цементеудің әдісіне қарамай шынықтырумен төмен жасытуға апарады.

Егер болат ұсақтүйіршікті болса немесе бұйым жауапты емес саласында жұмыс істесе, онда шынықтыруды 820—850°С температурасында бір рет шынықтырады. Бұнда цементтелген қабатта мартенсит пайда болады және қайта кристалданумен ортаның түйіршіктерінің ұсатуы болады. Газды цементтеу кезіңде бұйымдарды суытады содан кейің шынықтырады. Жауапты бұйымдар үшің басқа термиялық режимді қолданады: 1) 880—900°С температурасынан бастап шынықтырады өзектің құрылысың жөңдеу үшің; 2) 760—780°С температурасынан екінші реттік шынықтыру бет қабаттарында ұсақ ине тәрізді мартенситті алу үшің.

Төмен жасытуды 160—180°С температурасында өткізеді, нәтижесінде бет қабатында жіберілген мартенситтің құрылысы болады, ол ішкі кернеулерді түсіреді.

Цементтеу және термиялық өңдеуден кейің бет қабаттарының қаттылығы 60-63 НRС құрайды.

Цементтеуге әр түрлі бұйымдарды болады: тісті дөңгелек, поршень т.б.

Азоттау. Азоттау деп ХТӨ түрің атайды, бұл кезде бұйымның бет қабаты азотпен қанығады. Азоттаудан кейің бұйымның қаттылығы мен беріктігі жоғарлайды және коррозияға тұрақтылығыда көбееді.

Бірнші рет азоттауды 1913 жылы Н. П. Чижевский жасаған.

15 сүретте Fе—N күй диаграмасы келтірілген. Осы диаграма бойынша азот темірмен бір неше фаза құрайды: 1) а -фаза – азотты феррит, 20°С температурасында 0,015% N₂ бар, 591° С температурасында 0,42% N₃ бар; 2) γ'-фаза — Fе₄N (5,6—5,95% N₂) темірдің нитридінде негізделген қатты ерітінді; 3) ε-фаза — [Fе₂N (8—11,2% N₂)] темір нитридінде негізделген қатты ерітінді; 4) γ-фаза γ-темірдегі азоттың қатты ерітіндісі, ол эвтектоид айналымның температурасынан (591°С) жоғары болады.

Азоттау кезіңде бұйымдарды герметикалық пештерге салады, онда NН₃ амиагы берілген жылдамдылықпенен барып тұрады, ол қыздырған кезде 2NН₃→2N+6Н реакция бойынша диссоциалайды. Жоғары активті атомарлық азот бет қабаттарына сіңеді және бұйымның ішіне ары диффузия арқылы өтеді.

15. Сүрет. Темір-азоттың күй диаграмасы.

 

Азотталған қабаттың құрылысы (бет қабаттан ішке қарай) ε+γ'→γ'→α+γ'→α+ фазалардан тұрады.

Көміртекті болаттарда азотталған қабатының фазасы керекті қаттылықпен қамтамасыз етпейді. Сондықтан азоттау үшін легірленген болаттарды қолданады, олардың құрамында алюминий, молибден, хром, титан және басқа элементтер болады. Осы элементтердің нитридтары дисперсиялық болып келеді және жоғары қаттылықтарымен термиялық тұрақтылықтары болады. 38ХМЮА және 35ХМЮА типтік азотталатың болаттар. Азотталған қабаттың қаттылығына легірленген элементтердің әсері 16 сүретте көрсетілген. Азоттаудың жағдайына байланысты: бет қабатының қаттылығы мен беріктігің жоғарлату (қаттылықты азоттау) үшің, және коррозияға тұрақтылығын жоғарлату үшің (антикоррозиялық азоттау).

Бірінші жағдайда бұйымдарды 500—520°С температурасында азоттайды, бұл процесс 24-90 сағат өтү мүмкің (азоттаудың жылдамдылығы 1сағатта 0,01 мм құрайды).

Бет қабатында азоттың құрамы 10—12% барады, қалындығы 0,3-0,6 мм, қаттылығы НV 1000—1200.

Азоттауға моторлардың және насостардың цилиндрларың, тісті дөңгелектерді, преспішіндерді, штамптарды, пуансондарды және т.б. апарады.

Азоттауды жылдамдату үшің оны екі сатымен өткізеді: алғашқыда 500—520°С температурасында, содан кейің 560—600°С температурасында. Азоттаудан кейің суытуды пешпен бірге аммиактын ағымымен өткізеді. Коррозияға тұрақтылығын арттыру үшің, азоттауға, легірленген және көміртекті болаттардан жасалған бұйымдарды апарады. Бұл жағдайда азоттауды 650—700°С температурасында өткізеді.

1. Азотталған қабатына легірлеуші

элементтердің әсерлері:1-алюминий; 2-хром; 3-никель.

 

Диффузияның жылдамдылығы көбееді, процесстің ұзақтылығы бір неше сағаттқа дейің қысқартылады. Бұйымдардың беттеріңде ε-фазаның қабаты пайда болады, оның коррозияға тұрақтылығы жоғары болады.

Бұйымды дайндаған кезде азоттау соңғы операция болып табылады. Соңғы механикалық және термиялық – шынықтыру мен жоғары жасыту - өңдеулерден өтіп бұйымдарды ең соңында азоттайды. Осындай термиялық өңдеуден кейің бұйымдарда сорбиттің құрылысы пайда болады, ол бұйымның өзегінде азоттаудан кейің де сақталады және жоғары беріктігі мен тұтқырлығымен қамтамасыз етеді. Азотталған бұйымдардың түсі сұр болып келеді.

Цементтеу мен азоттауды салыстырып отырып келесілерді байқауға болады. 1) цементтеудің ұзақтылығы азоттаудан қысқа болып келеді; 2) беріктелген қабат терең және эксплуатация кезіңде ұлкен меншікті қыссымдарға төзімді; 3) цементтелген қабатының қаттылығы 1,5—2 есе төмен азотталған қабатқа қарағанда және 180—125°С қыздырған кезде төмендейді, ал азоталған қабат өзінің қаттылығын 600—650°С дейің сақтайды.

Циандау (нитроцементтеу). Циандау деп ХТӨ түрің атайды, бұл кезде бет қабаттар бір уақытта көміртекпен азотпен қанығады. Циандалған қабаттын қаттылығы мен төзімділігі жоғары болады. Сонымен қатар беріктік қажу мен коррозияға тұрақтылығы өседі. Көміртек пен азоттың диффузиясы бірге өтуі тезірек болады әр элементтің бөлек диффузиясына қарағанда, сондықтан циандаудын жылдамдылығы 0,5-2 сағатта өтеді. Циандау жоғары температуралық 800—950°С және төмен температуралық 540—560°С болады. Жоғары температуралық циандау кезде бет қабаттары көміртекпен көбірек қанығады азотқа қарағанда, яғни бұл процесс цементтеуге жақын. Осындай циандаудан кейің бұйымдарды шынықтыру мен төмен жасытуға апарады. Терең циандаудан кейің бет қабатында 0,8—1,2% С және 0,2—0,3% N құрамы болады. Төмен температуралық циандауға термиялық өңдеуден өткен бұйымдарды апарады. Осындай циандау кезіңде бет қабаттары азотпен көбірек қанығады, оның тереңдігі 0,015—0,03 мм құрайды. Циандауды көбінесе сүйық немесе газды орталарда өткізеді. Сүйық циандаудың бір кемшілігі – цианды тұздардың ұлы болу. Бұл кемшілік газды циандауда жоқ.

Нитроцементтеу – газды циандау – газды қоспаларда өткізеді, оның құрамында 70-80% цементтейтің газ және 20—30% аммиак болады. Газдың құрамы мен температура циандалған қабатта көміртекпен азоттын қатынасын белгілейді. Қабаттың тереңдігі процесстің температурасы мен ұстау ұзақтылығына байланысты болады.

Газды цементеуге қарағанда нитроцементтеудің бір неше артылықтары бар: деформациямен бұйымның пішінің бұзылуы төмен, төзімділік пен коррозияға тұрақтылығы жоғары.

Диффузиялық металлизация. Диффузиялық металлизация деп ХТӨ түрің атайды, бұл кезде болатты бұйымның беттері әр түрлі элементтермен қанығады: алюминиймен, хроммен, кремниймен және т.б. Осындай өңдеуден кейің ыстыққа төзімділігі, үйкеліске төзімділігі, коррозиятұрақтылығы жоғарлайды. Болаттың беті басқа металмен қанныққан кезде орын басу қатты ерітінділер пайда болғандықтан, диффузиялық металлизацияға көп уақыт керек болады.

Алиттеу – бұйымның бетің алюминимен қанықтыру. Құрамында 0,1—0,2% С бар болатты бұйымның отқабыршық тұрақтылығын арттыру үшің қолданады. Алиттеуді көбінесе ұнтақ қоспаларда өткізеді, бірақ оны газды орталарда да өткізуге болады. Алиттенген қабаттың тереңдігі 0,3-0,8 мм құрайды.

Алиттенген бұйымдардың отқа төзімділігі жоғары болады, олар 1150°С дейің жұмыс істейді. Бұл бұйымның бетінде А1₂О₃ берік тотығы пайда болғаннан болады.

Силицилеу – бұйымның бетің кремний мен қанықтыру. Газды силицилеуді қолданады. Бұйымдарды ретортты пештерге орналастырады, ферросилиций карборунд ұнтағымен себеді, 950—-1050°С дейін қыздырады және хлорды өткізеді. Газды силицилеу кезіңде кремний мен қанығу интенсивті өтеді: 1050°С температурасында 2 сағат ұстаудан кейің 1 мм қабаты болады. Кремнийдің саны 14% жетеді. Силицилеу ыстыққа төзімділігін 800—850°С дейін көтереді, үйкеліске төзімділігі жақсы болады және теңіз суларында немесе кейбір қышқылдарда коррозияға тұрақтылығы жоғары болады.

Ыстыққа төзімділігін арттыру үшің силицилеуді молибден, вольфрам негізіндегі бұйымдарға қолданады, олардың ыстыққа беріктігі жоғары болады.

Хромдау – бұйымдардың бетің хроммен қанықтыру. Хромдауға құрамында көміртектің әр түрлі құрамы бар болаттарды апарады. Орта- және жоғары көміртекті болаттарды хромдау кезіңде беттің қаттылығы өте жоғары болады (НV 1600—1800 дейің), үйкеліске төзімділігі мен отқабыршық тұрақтылығы (800°С дейің) жоғарлайды, сонымен қатар коррозияға тұрақтылығы да арта түседі. Аз көміртекті (0,2% С дейің) болаттарды хромдау кезіңде қаттылығы өте өспейді, бірақ коррозияға тұрақтылығы жақсарады. Хромдауды 950—1100°С температураларында өткізеді, ұстау уақыты 8 сағат, қабаттың тереңдігі 0,2-0,25 мм.

Бордау – бұйымдардың бетінің бормен қанықтыру. Бордау процессі қаттылықты (НV 1800-2000), үйкеліске төзімділігің қамтамасыз етеді, коррозияға тұрақтылықты және жылутұрақтылығы жоғарлатады. Бордауды көбінесе ортакөміртекті болаттарға қолданады. Оны ұнтақты қоспаларда, сүйық орталарда өткізеді (электролизді бордау). Температурасы 850—950°С, ұстау уақыты 2-6 сағат, қабаттың тереңдігі 0,15-0,35 мм. Бордаудан кейің бұйымдарды жоғары жиілігі тоқпен өңдейді немесе изотермиялық шынықтырады бет қабаттарында кернеулерді азайту үшің.

Механикалық беріктену әдістері. Қарастырылған бұйымдардың беттерің беріктену әдістерден басқа техникада механикалық беріктену әдістері кең таралған. Ең маңыздысы бытыралау (ұсату) өңдеуі, бұнда бұйымдардың беттері механикалық өңдеуден кейің бытырмен өңделеді. Осындай өңдеуді арнайы бытыралауқондырғылармен өткізеді, олар бұйымның бетіне болатты және шойынды бытырды тастайды. Тез ұшып кележатқан бытырдың соққысы металдын бетінде пластикалық деформацияға әкеледі оның тереңдігі 0,15-0,30 мм болады. Бұнда бекемделген болаттын бетінің қаттылығы арта түседі, онда қысымды кернеулер пайда болады сонымен қажу беріктігі жоғарлайды.

Бытыралау өңдеуі бұйымдардың қарықшаларын, бір қимадан басқа қимаға өтү жерің т.б. беріктендіреді. Белгіауысу жүктемесінде істейтің бұйымдарға бытыралауөңдеуі өте жақсы әсер береді. Сондықтан осындай өңдеуге рессорларды, пружиналарды, торсионды валиктарды, біліктерді және т.б. апарады бытыралауөңдеуден кейің металдың бетінде ұсақ вмятиналар қалады, кейде бұйымдардың пішіні цилиндрлі болған жағдайда оларды арнайы роликтаремен бетөңдеуден өткізеді, бұл беттің микрогеометриясын жақсартады. Осылай полировкадан өткен бұйымдарды да өңдейді,олардың қызмет уақытын арттыру үшің.