chemical heat treatment

Химико-термическая обработка с объяснениями: Процессы и применение

Химико-термическая обработка - важный процесс, используемый для изменения физико-механических свойств металлов и сплавов. Этот процесс включает в себя воздействие на материал химической среды при высоких температурах, чтобы вызвать изменения в его микроструктуре. Как правило, под химической средой понимается среда, содержащая активные элементы. Заготовка из металла или сплава нагревается в среде, что позволяет активным элементам проникать в поверхностный слой заготовки и изменять ее химический состав, структуру и характеристики. Правильная химико-термическая обработка может улучшить такие свойства, как прочность, твердость, вязкость, пластичность, коррозионная стойкость, противоусталостные характеристики и т. д.

Что такое химическая термообработка?

Химико-термическая обработка, также называемая "поверхностной диффузией" или "термической диффузией", - это процесс нагрева заготовок из металла или сплава в активной среде, в результате которого один или несколько элементов проникают в поверхностный слой и изменяют его химический состав, структуру и характеристики.

Металлические заготовки помещаются в твердую, жидкую или газообразную среду, содержащую один или несколько химических элементов. Затем их нагревают до заданной температуры в печи, в результате чего элементы проникают на поверхность металла за счет разложения, адсоrption, твердого раствора и комбинированной реакции пиролизатов среды на поверхности металла. Посредством термической диффузии элементы постепенно проникают в металлический материал, в результате чего на поверхности металла образуется слой, обогащенный одним или несколькими элементами сплава.

Этот процесс создает твердую внешнюю поверхность и прочную внутреннюю структуру, улучшая различные механические свойства, такие как высокая твердость, высокая прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, противозадирные и противоусталостные свойства. Кроме того, улучшаются физические и химические свойства, такие как устойчивость к высокотемпературному окислению. Важно, что при этом сохраняется первоначальная пластичность материала, что повышает долговечность заготовок в сложных условиях. Таким образом, химико-термическая обработка широко используется в различных отраслях промышленности для удовлетворения специфических требований.

chemical heat treatment

Процесс химико-термической обработки шаг за шагом

Химико-термическая обработка включает в себя несколько этапов, которые работают в сочетании друг с другом, чтобы произвести желаемые изменения в основном металле. Ниже приведен обзор типичного процесса химико-термической обработки:

Шаг 1 - Подготовка металла

Исходная металлическая заготовка сначала должна пройти несколько подготовительных процессов, чтобы подготовить ее к химической обработке. К ним относятся:

  • Очистка - Удаление грязи, жира, окислов и других поверхностных загрязнений с помощью таких процессов, как обезжиривание, травление, ультразвуковая очистка и т.д. Это предотвращает загрязнение обрабатывающих ванн.
  • Обработка - Резка металла до нужных размеров и форм, если это необходимо.
  • Снятие стресса - Термическая обработка для снятия внутренних напряжений, возникших в результате предварительной холодной обработки, сварки или механической обработки. Снижает вероятность образования трещин или растрескивания при последующей обработке.

Шаг 2 - Загрузка металла

Подготовленное металлическое изделие загружается в корзину и погружается в резервуар с нагретой химической ванной. Загрузка может осуществляться вручную или автоматически с помощью конвейеров.

Шаг 3 - лечение

Когда металл погружен в ванну, начинается собственно процесс химической обработки. Некоторые ключевые аспекты этого этапа:

  • Ванна нагревается до температуры процесса, обычно 400-1200°F.
  • Металлическая деталь погружается в горячий раствор на определенное время, от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от таких факторов, как химический состав ванны, состав металла и желаемый результат.
  • В качестве химических ванн обычно используются расплавленные соли, водные растворы и другие неорганические/органические жидкости, совместимые с основным металлом при высоких температурах.
  • Химический состав ванны вызывает химическую реакцию на поверхности металла, изменяя его состав и свойства.

Шаг 4 - закаливание

После обработки горячее металлическое изделие вынимают из ванны и быстро охлаждают или закаливают, используя воду, масло или воздух. Закалка закрепляет вызванные химические изменения, предотвращая обратимость.

Шаг 5 - Процессы последующей обработки

После закалки могут быть использованы дополнительные процессы для окончательного улучшения свойств, например:

  • Отпуск - Низкотемпературная термообработка для снижения хрупкости и повышения пластичности/жесткости.
  • Выпрямление - Коррекция warpage от неравномерного нагрева/охлаждения.
  • Тестирование качества - Проверяет правильность обработки, размеры, наличие дефектов и т.д.

Виды химической термообработки

1. Классификация по типу проникших элементов

Эта классификация включает несколько методов, в том числе науглероживание, азотирование, борирование, сульфирование, алюминирование, карбонитрирование, науглероживание композитов углерода и хрома и так далее.

2. Классификация на основе типа и порядка проникновения элементов

a) Одноэлементная инфильтрация

Примерами одноэлементной инфильтрации являются науглероживание (также известное как науглероживание единицы) и борирование (также известное как борирование единицы).

б) Двухэлементная инфильтрация

Одновременная инфильтрация двух элементов известна как двухэлементная инфильтрация. Когда углерод и азот проникают вместе, это называется карбонитрированием. Аналогично, одновременная инфильтрация бора и алюминия называется алюминированием бора.

c) Многоэлементная инфильтрация

Многоэлементная инфильтрация предполагает одновременную инфильтрацию более двух элементов. 

d) Двухэлементная композитная инфильтрация

Инфильтрация материала двумя элементами называется двухэлементной композитной инфильтрацией. Например, если вольфрам и углерод проникают в материал последовательно, процесс называется двойной композитной инфильтрацией вольфрам-углерод.

д) Многоэлементная композитная инфильтрация

Многоэлементная композитная инфильтрация означает последовательную инфильтрацию более чем двух элементов. Например, тройная композитная инфильтрация азота, углерода и серы является одним из видов многоэлементной композитной инфильтрации.

3. Классификация на основе состояния активной среды проникших элементов

a) Жидкий метод

Жидкостные методы включают метод соляной ванны, метод электролитической соляной ванны, метод электролиза водного раствора и т.д.

б) Газовый метод

Газовые методы включают вакуумный метод, метод твердого газа, метод непрямого газа, метод мобильной ионной печи и т.д.

в) Твердый метод

Твердые методы включают в себя метод наполнения порошком, метод пасты (суспензии), метод электрического циклона и т.д.

г) Метод ионной бомбардировки

Метод ионной бомбардировки включает в себя науглероживание ионной бомбардировкой, азотирование ионной бомбардировкой, металлизацию ионной бомбардировкой и т.д.

4. Классификация на основе характеристик изменения химического состава поверхности

Диффузионную инфильтрацию можно разделить на четыре категории:

  • Проникновение различных металлических элементов.
  • Проникновение различных неметаллических элементов.
  • Одновременная инфильтрация металлических и неметаллических элементов.
  • Диффузионное удаление примесных элементов и т.д.

5. Классификация на основе фазовой структуры, образованной инфильтрующимися элементами и элементами в стали

a) Первый тип заключается в том, что проникающий элемент растворяется в решетке элемента-растворителя, образуя твердый раствор. Этот тип включает науглероживание, карбонитрирование и т.д.

б) Второй тип - реакционная диффузия. Этот тип можно разделить на два подтипа: первый заключается в том, что проникающий элемент реагирует с элементом стали, образуя упорядоченную фазу (соединение металлов). К этому подтипу относится азотирование. Второй - растворимость внедренного элемента в решетке элемента растворителя очень низкая. Поэтому внедренный элемент реагирует со стальным элементом с образованием фазы соединения, например, борирование.

6. Классификация на основе роли/Purpose инфильтрированных элементов на поверхности Свойства стали Детали

a) Для повышения твердости, прочности, усталостной прочности и износостойкости поверхности заготовки используйте науглероживание, азотирование, карбонитрирование и другие методы.

б) Для повышения твердости и износостойкости поверхности заготовки используйте такие методы, как борирование, ванадирование, ниобиевое покрытие и т.д.

c) Снижение коэффициента трения и улучшение противозадирных свойств и устойчивости к царапинам поверхности заготовки с помощью таких методов, как сульфуризация, оксинитрирование и обработка сернисто-азотной пропиткой.

г) Коррозионная стойкость поверхности заготовки повышается с помощью таких методов, как силицирование, хромирование, азотирование и др.

д) Повышение стойкости поверхности заготовки к высокотемпературному окислению может быть достигнуто такими методами, как алюминирование, хромирование, силицирование и т.д.

7. Классификация на основе структурного состояния стали при химико-термической обработке

a) Аустенитная химико-термическая обработка:

  • Науглероживание
  • Карбонитрирование
  • Борирование, бороалюминирование, боросилицирование, бороцирконирование, науглероживание композита бора, науглероживание композита бора с аммиаком и т.д.
  • Хромирование, хромирование алюминия, хромирование кремния, хромирование азотирования, хромирование титанирования.
  • Алюминирование, никелирование алюминия, редкоземельное алюминирование и т.д.
  • Силиконирование
  • Ванадий, ниобий, титан и др.

b) Химическая термообработка феррита: 

  • Азотирование
  • Нитрокарбюрирование
  • Оксинитрирование, оксинитрокарбюризация
  • Сульфуризация
  • Оксинитрирование, оксинитрокарбюризация
  • Цинкование

Поскольку сталь находится в ферритном состоянии, температура химико-термической обработки обычно ниже 600°C. Поэтому химико-термическую обработку в ферритном состоянии также называют низкотемпературной химико-термической обработкой. Однако для стали в аустенитном состоянии температура химико-термической обработки обычно выше 600°C, что называется высокотемпературной химико-термической обработкой.

В целом, низкотемпературный процесс химико-термической обработки имеет такие преимущества, как низкая температура обработки, экономия энергии, малая деформация заготовки, хорошая коррозионная стойкость и противозадирная защита, высокая твердость, износостойкость и хорошие показатели снижения трения.

chemical heat treatment part

Преимущества и характеристики химико-термической обработки

По сравнению с такими методами поверхностного упрочнения, как поверхностная закалка и поверхностное деформационное упрочнение, он демонстрирует следующие преимущества и характеристики.

Не ограничивается геометрией

Как правило, химико-термическая обработка не ограничивается геометрией заготовки. Независимо от формы, как в оболочке, так и во внутренней полости можно получить требуемый слой проникновения или локальный слой проникновения. В отличие от поверхностной закалки, прокатки, холодного прессования и холодной прокатки, они ограничены формой заготовки.

Достижение различных свойств поверхности

Различные свойства поверхности могут быть достигнуты путем эффективного изменения химического состава и структуры поверхности заготовки за счет введения различных элементов. Это позволяет заготовке соответствовать требованиям к производительности в различных условиях эксплуатации.

Возможность регулировки глубины слоя науглероживания 

При обычной химико-термической обработке глубина науглероживающего слоя может регулироваться в зависимости от технических требований к заготовке. Состав, структура и характеристики науглероженного слоя постепенно изменяются от поверхности к внутренней части. Науглероженный слой образует металлургическую связь с матрицей, обеспечивая прочное соединение и предотвращая отслаивание поверхностного слоя.

Улучшение свойств поверхности 

Химическая термообработка может значительно улучшить свойства поверхности заготовки. Большинство видов химико-термической обработки могут эффективно улучшить поверхностный слой заготовки, повышая такие свойства, как коррозионная стойкость, стойкость к окислению, снижение трения, способность противостоять заеданию и общие механические свойства поверхности.

Высокая точность и отличная стабильность размеров

Химико-термическая обработка, как правило, сопровождается минимальной деформацией заготовки и имеет ряд преимуществ, таких как высокая точность и отличная стабильность размеров. Такие методы, как азотирование, мягкое азотирование, ионное азотирование и другие, позволяют заготовке сохранять высокую точность, низкую шероховатость поверхности и хорошую стабильность размеров.

Сложный процесс

Большинство видов химико-термической обработки включает в себя сложное сочетание физических, химических и металлургических процессов. Она требует нагрева в определенной активной среде и завершается за счет физико-химических реакций на границе раздела фаз и металлургической диффузии от внешней поверхности к внутренней части заготовки. Следовательно, процесс сложный, цикл обработки длительный, а требования к оборудованию жесткие.

Повышение экономических выгод

Химико-термическая обработка в целом оказывает заметное влияние на повышение качества механических изделий, раскрытие потенциала материалов и продление срока их службы service. В результате она способствует конservation драгоценных металлических материалов, снижает затраты и повышает экономическую выгоду.

Типичные свойства, полученные в результате химико-термической обработки

Химическая термообработка может дать широкий спектр свойств в зависимости от конкретного вида обработки. Вот некоторые типичные свойства, получаемые в результате химико-термической обработки:

Повышенная твердость: Химическая термообработка может значительно повысить твердость материалов, делая их более устойчивыми к износу, вдавливанию и деформации. Это особенно важно для тех областей применения, где материалы должны выдерживать большие нагрузки или абразивные воздействия.

Улучшенная сила: Химическая термообработка позволяет повысить прочность материалов, делая их способными выдерживать большие напряжения и нагрузки. Это очень важно для тех областей применения, где важна структурная целостность и несущая способность, например, в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Повышенная выносливость: Химико-термическая обработка позволяет повысить вязкость материалов, делая их более устойчивыми к разрушению и ударам. Вязкость особенно важна в тех случаях, когда материалы подвергаются внезапным или повторяющимся нагрузкам, например, в инструментах и деталях машин.

Повышенная износостойкость: Химико-термическая обработка может значительно повысить износостойкость материалов, снижая скорость износа и продлевая срок их службы. Это полезно в тех случаях, когда материалы контактируют с абразивными поверхностями или подвергаются скольжению, качению или ударному износу, например, в зубчатых передачах, подшипниках и режущих инструментах.

Повышенная коррозионная стойкость: Химическая термообработка позволяет повысить коррозионную стойкость материалов, делая их более устойчивыми к разрушению в результате химических реакций с окружающей средой. Это особенно важно в таких отраслях, как нефтегазовая, где материалы подвергаются воздействию коррозионных веществ или суровых условий окружающей среды.

Повышенная стабильность размеров: Химическая термообработка позволяет повысить стабильность размеров материалов, снижая риск изменения размеров из-за перепадов температуры или напряжения. Это очень важно в тех случаях, когда требуются жесткие допуски и точные размеры, например, в точном машиностроении и производстве инструментов.

Снижение внутренних напряжений: Химическая термообработка позволяет снять внутренние напряжения в материалах, повышая их стабильность и снижая риск деформации или растрескивания. Это полезно в тех случаях, когда материалы подвергаются значительным термическим или механическим нагрузкам, например, в сварных конструкциях или термообработанных компонентах.

Повышенная усталостная прочность: Химическая термообработка может повысить усталостную прочность материалов, позволяя им выдерживать циклические нагрузки без разрушения. Это важно в тех случаях, когда материалы подвергаются повторяющимся циклам нагрузок, например, в автомобильных и аэрокосмических компонентах.

Управляемые электрические и магнитные свойства: Химическая термообработка может использоваться для изменения электрических и магнитных свойств некоторых материалов, делая их пригодными для конкретных применений в электронике, электротехнике и магнитных де1ТП2Тах.

Индивидуальная микроструктура: Химическая термообработка может использоваться для достижения определенных микроструктур в материалах, таких как мелкозернистые структуры, образование осадков или фазовые превращения. Эти микроструктурные изменения могут придавать материалам уникальные свойства, позволяя им соответствовать определенным эксплуатационным требованиям.

chemical heat treatment equipment

Применение химической термообработки в различных отраслях промышленности

Благодаря широкому спектру достижимых свойств химико-термическая обработка широко применяется практически во всех отраслях промышленности, где используются металлические детали. Некоторые примеры включают:

Автомобильный - Шестерни, приводные валы, клапаны, толкатели, поршни и т.д.

Аэрокосмическая промышленность - Лопасти турбин, детали шасси, компоненты двигателей, каркасы самолетов и т.д.

Нефть и газ - Буровые долота, обсадные трубы, оборудование для морских платформ и т.д.

Строительство и горнодобывающая промышленность - Зубья экскаваторов, отвалы бульдозеров, дробилки, конвейеры и т.д.

Производство электроэнергии - Компоненты турбин, крепеж, распределительное оборудование и т.д.

Железные дороги - Колеса, оси, сцепки, рельсы, детали локомотивов и т.д.

Электроника - Оборудование для производства полупроводниковых пластин, детали вакуумного/криогенного оборудования и т.д.

Пищевая промышленность - Компоненты конвейеров, детали оборудования для розлива, клапаны, прессы и т.д.

Медицинский - Хирургические инструменты, стоматологические инструменты, детали медицинского оборудования и т.д.

Защита - Компоненты огнестрельного оружия, бронепластины, аэрокосмическая и морская техника и т.д.

Краткое содержание

Химико-термическая обработка - это универсальный процесс, который позволяет значительно улучшить свойства материалыБлагодаря этому они могут применяться в различных областях. Этот процесс позволяет повысить прочность, твердость, вязкость и коррозионную стойкость металлов и сплавов. Широкий спектр применения химико-термической обработки в различных отраслях промышленности подчеркивает ее важность в современных производственных процессах. Благодаря своей способности изменять свойства материалов и улучшать эксплуатационные характеристики, химико-термическая обработка остается жизненно важным методом в стремлении к созданию передовых материалов и повышению качества продукции.

 

Часто задаваемые вопросы

Традиционная термообработка основана исключительно на нагреве/охлаждении для изменения свойств металла. Химическая термообработка использует термохимические реакции между нагретым металлом и обрабатывающей ванной, чтобы вызвать изменения. Это позволяет изменять свойства поверхности независимо от сердцевины.

Да, химическая термообработка может применяться к некоторым неметаллическим материалам, таким как керамика и полимеры, для изменения их свойств.

Химическая термообработка широко используется в автомобильной, аэрокосмической, нефтегазовой, строительной, энергетической, железнодорожной, электронной и медицинской промышленности. Практически любая отрасль, имеющая дело с металлическими компонентами, может извлечь выгоду из химической обработки.

Производство по требованию Service

LEADRP обеспечивает прототипирование и изготовление по требованию service, в том числе ЧПУ обработка, изготовление листового металла, обычай оснастка, литье под давлением, уретановое литье, и 3D печать. С LEADRP вы можете решить любую задачу, связанную с разработкой и производством продукта. Нажмите, чтобы рассказать нам о своем проекте или свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.

From Design to Prototype
ru_RURU
Оглавление
Прокрутка к началу

Мы делаем ваши индивидуальные продукты лучше и быстрее

Будь то единичный прототип или серийное производство из тысяч единиц, LEADRP готов поддержать ваш проект. Просто сообщите нам свой проект, и мы свяжемся с вами в течение 12 часов.

Все загрузки безопасны и конфиденциальны, нажмите, чтобы проверить наш Политика защиты интеллектуальной собственности. Вы также можете связаться с нами (service@leadrp.com), чтобы подписать соглашение о неразглашении информации перед отправкой нам любых дизайнерских файлов. Если появится сообщение о том, что формат файла не поддерживает загрузку, пожалуйста, сожмите файл в zip-файл перед отправкой.