Термообработка в защитных атмосферах

Почему происходят процессы окисления

С увеличением температуры все процессы ускоряются из-за увеличения скорости диффузии атомов. При нагреве, в металлах, тоже ускоряются тепломассообменные процессы, особенно на поверхности, так как контактирующие среды пытаются соединиться в самую устойчивую связь под названием химическое соединение. В данном случае это соединение называется оксид железа, с химической формулой Fe₂O₃, или окалина. Величина окисления металлов напрямую зависит от температуры и от времени. Кроме окисления на поверхности, происходит обеднение железа углеродом. Движение углерода в сторону меньшего потенциала, а в воздухе углеродный потенциал равен нулю, далее углерод связывания в молекулу СО₂ и происходит обеднение поверхностных слоёв. Данный эффект называется обезуглероживанием наружных поверхностей. В результате воздействия температуры и кислорода с поверхностью металлических изделий образуется слой окислов различной толщины; от окисной плёнки до отслаивающейся окалины. Толщина слоя окалины будет зависеть от величины температуры и продолжительности нагрева, а также от химического состава металла. Если нагревать стальные заготовки до 450°С (температура отпуска) то на поверхности заготовок появится только окисная плёнка, которая не будет отслаиваться.

С повышением температуры заготовок и временем нагрева угар увеличивается. В зависимости от марки материала слой окалины может отслаиваться ровными и плоскими пластинками, или вспучиваются и не отслаивается, при этом на поверхностном слое металла возникают напряжения, которые могут деформировать тонкостенные изделия. Интенсивность окисления сталей при повышении температуры растёт в геометрической прогрессии. Так, например интенсивность окалинообразования уже высокая при 900°С, при нагреве до 1000°С окисляемость этой же стали увеличивается в 2 раза, а при нагреве до 1200°С - в 5 раз.

       Рисунок — График зависимости окисления сталей в зависимости от температуры

Процессы, происходящие при нагреве в защитных атмосферах

Чтобы поверхность металла была без окалины и с нужными свойствами его нагревают атмосфере с определённым химическим составом. Атмосферы с необходимым (нужным) и контролируемым химическим составом называют защитные атмосферы. Концентрация элементов на поверхности заготовки будет стремиться к равновесию с газовой средой, находящейся вокруг неё. Поверхность свободную от окислов принято называть светлой , а свободной от окалины чистой .

Основные виды и назначение защитных атмосфер

Защитные атмосферы получают методом полного или частичного сжигания углеводородов. Таким образом получают эндогаз и экзогаз. Охлаждением или разделением воздуха получают аргон, азот. Химическим путём, например, в электролизёрах получают водород. В зависимости от характера взаимодействия газов с металлом, защитные атмосферы можно разделить на нейтральные, они же инертные, насыщающие или восстановительные . Также защитной атмосферой можно считать вакуум, но это отдельное направление, которое в данной статье не рассматривается.

Нейтральные атмосферы

Нагрев в таких атмосферах не изменяет химический состав поверхности металлов. К нейтральным газам относятся так называемые инертные газы: аргон, молекулярный азот, углекислый газ, гелий и тому подобные. Одной из разновидностей нейтральных газов считают формир-газы. Формир-газы это инертные газы с незначительными добавками водородсодержащих газов (до 5% H₂, в общем объёме). Также инертным газом можно считать экзогаз.

Насыщающие атмосферы

Атмосферы с повышенным содержанием потенциала определённого химического элемента, например, углерода при цементации (эндогаз с добавками метана или пропана), азота при азотировании(частично диссоциированный аммиак) или цинка при цинковании называют насыщающими.

Восстановительные атмосферы.

Этот тип атмосфер с сильными восстановительными свойствами, обусловленными наличием в них высокого содержания водорода. Водород восстанавливает уже окисленную поверхность до чистого металла. Подобные атмосферы применяют при пайке, спекании, восстановительном отжиге.

Снижение издержек на изготовление за счёт термообработки в защитных атмосферах

В процессе изготовления сложных изделий металл нагревают много раз и образование на деталях окалины и обезуглероженного слоя при нагреве воздухе рассматривается как неизбежное зло. Дорогой металл уходит в отходы в виде припуска с интенсивным износом инструмента, т.к. сама окалина имеет высокую твердость. Часть окалины, где позволяет оборудование, удаляют дробеструйным методом или травлением.

Слой окалины на поверхности является ещё и тепловой изоляцией, повышающей время на последующий прогрев, например, отпуск при отпуске. Слой окалины является диэлектриком и препятствует свариваемости изделий. Недостатки нагрева в окислительной атмосфере очевидны. Плюс только один атмосфера воздуха бесплатна.

Преимущества термообработки с нагревом в защитной атмосфере.

1. Обработанные с применением защитных атмосфер изделия обладают высокой износостойкостью и прочностью, не требуют мех. обработки для снятия мягкого (обезуглероженного) слоя.
2. Значительно уменьшается припуск под механическую обработку, вследствие чего уменьшается время на обработку.
3. Атмосферы с присутствием водорода восстанавливают от окислов уже окисленные детали.
4. Имеется возможность корректировать хим. состав на поверхности изделий. Повысить концентрацию углерода или азота.
5. Исключаются очистные операции после термообработки (дробеструйная и абразивная обработка, галтовка, травление).
6. Исключаются некоторые доводочные операции после термообработки.
7. Исключается брак в изделии, вызванный недостаточной чистотой поверхности в труднодоступных внутренних полостях, карманах.
8. Отпадает необходимость в очистке закалочных баков от окалины. Уменьшается износ загрузочной оснастки. Повышается культура производства.