Термическая и химико-термическая обработка

Целью термической обработки является изменение свойств сплава путем изменения его структуры в результате теплового воздействия. Сталь с низкой твердостью и прочностью после термической обработки может получить высокие прочностные характеристики, и наоборот, твердая сталь, с трудом поддающаяся обработке, может стать мягкой и пластичной и иметь хорошую обрабатываемость.

Основными видами термической обработки являются закалка, отпуск иотжиг. После отливки, прокатки, ковки и других видов обработки заготовок они охлаждаются неравномерно, результатом чего является неоднородность структуры и свойств в различных частях заготовки, а также появление внутренних напряжений.

Отжигом называют операцию нагрева, выдержки при заданной температуре и охлаждения заготовок. Эта операция приводит к снятию внутренних напряжений, при этом заготовки переходят из неравновесного состояния в равновесное. Температура процесса зависит от вида отжига и колеблется в пределах 200-400 ‑ 1100-1200 ^оС. Но при этом нельзя допускать пережога, т. к. при этом кислород воздуха окисляет железо, проникает в толщу его, в результате образуются кристаллиты, разобщенные оксидными оболочками. Пережженные заготовки являются неисправимым браком.

Целью закалки стали является повышение твердости и прочности заготовок. Закалка ‑ операция, при которой изделие выдерживается в печи при заданной температуре для полного прогрева по сечению и завершения структурных превращений, охлаждение выполняют в различных закалочных средах (вода, 5 %-й водный раствор KMnO₄, 10 %-й раствор NaOH), машинное масло.

Отпуск смягчает действие закалки, снижает или уменьшает остаточные напряжения, уменьшает твердость и хрупкость стали, повышает вязкость. Проводится после закалки путем выдерживания стали при температуре 200 - 300 ^оС.

Кроме термической обработки для получения поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными твердостью, износоустойчивостью, жаропрочностью или коррозионной стойкостью, проводят химико - термическую обработку. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др. Наиболее распространенными видами химико - термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование.

Цементацией называют процесс поглощения углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым, а в середине заготовка остается вязкой. Цементации подвергают изделия, работающие на истирание и удар. При цементации твердыми веществами (карбюризаторами) применяют древесный уголь (С) и карбонаты (BaCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃). Заготовки помещают в стальные ящики, засыпают карбюризатором, закрывают ящики (промазывают их глиной) и выдерживают в печи 5 - 10 часов при температуре 930-950 ^оС:

BaCO₃ + C = BaO + 2CO

Образующийся оксид углерода диссоциирует на поверхности стальных заготовок с выделением активного атомарного углерода, который адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки.

При газовой цементации применяют газы и газовые смеси, цементацию проводят в герметически закрытых печах при 900-950 ^оС.

Азотирование ‑ придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.

Азотирование проводят в печах при 500-600 ^оС. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и образует очень твердые химические соединения ‑ нитриды железа и легирующих элементов (FeN, AlN, MoN). Азотирование на глубину 0, 2-0, 5 мм продолжается 25-60 ч, и в этом его основной недостаток. Температура процесса относительно низкая по сравнению с цементацией, а твердость поверхности выше.

Цианирование - насыщение поверхности одновременно углеродом и азотом. Различают жидкостное и газовое цианирование. Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей натрия, калия, кальция при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных углерода и азота:

550-600 ^оС ‑ низкотемпературное цианирование, расплавы чистых
цианидов;

800-850 ^оС ‑ высокотемпературное цианирование, 20-40 %-е расплавы цианидов с нейтральными солями (хлорид натрия, карбонат натрия) для повышения температуры плавления.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к газу цементации добавляется аммиак, дающий активные атомы азота.

Вентиляционный выброс из термических цехов обычно загрязнен парами и продуктами горения масла, аммиаком, цианистым водородом и другими веществами, поступающими в систему местной вентиляции от ванн и агрегатов для термической обработки. Источниками загрязнения в термических цехах являются также нагревательные печи, работающие на жидком и газообразном топливе, а также дробеструйные и дробеметные камеры, где металл очищается после термической обработки. Концентрация пыли в воздухе, удаляемом из этих камер, достигает 2-7 г/м³. При закалке и отпуске деталей в масляных ваннах в отводимом от ванн воздухе содержится до 1 % паров масла от массы металла. При цианировании выделяется до 6 г/ч цианистого водорода на один агрегат цианирования.

Для приготовления технологических растворов, используемых при закалке, отпуске и отжиге деталей, а также для промывки деталей и ванн после сброса отработанных растворов и для обработки помещения используют воду. Основные примеси сточных вод ‑ пыль минерального происхождения, металлическая окалина, тяжелые металлы, цианиды, масла и щелочи.