Химико-термическая обработка стали

 

Один из эффективных способов поверхностного упрочнения — химико-термическая обработка представляет собой технологический процесс поверхностного насыщения стали при высокой температуре соответствующим элементом путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды. К наиболее распространенным методам этого вида обработки относятся цементация, азотирование, цианирование и др.

Цементация сталей. Процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом называется цементацией.

Цементации подвергаются стали, содержащие менее 0,3% С. Поверхностный слой насыщается углеродом до концентрации 0,8......1,0% С. Глубина насыщения (обычно 1...2 мм) зависит от температуры, времени процесса и агрегатного состояния применяемого науглероживающего вещества. От поверхности изделия к центру содержание углерода будет уменьшаться до исходного, т. е. наблюдается последовательное изменение структуры: П + ЦII, П, Ф + П с возрастанием количества феррита по мере приближения к центру. Учитывая большую растворимость углерода в γ-железе, цементацию проводят при температурах выше А_с3 — в аустенитном состоянии. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродосодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

Цементацию твердым карбюризатором (древесным углем с добавлением ВаСО₃, Na₂CO₃, К.₂СО₃) осуществляют при температурах 910...950 °С в металлическом ящике, наполненным карбюризатором. Время цементации 8...20 ч.

Газовая цементация (впервые предложена П. П. Аносовым) осуществляется в закрытых камерных печах, заполненных газом (природным газом, окисью углерода, метаном, пропаном и др.) при 930...950 °С в течение 8...12 ч. Процесс насыщения углеродом идет гораздо быстрее, чем в случае цементации твердым карбюризатором. За 8 ч глубина насыщения при газовой цементации достигает 2,8 мм, а при твердой — менее 1,5 мм. Экономится также время на различных подготовительных операциях. Поэтому газовая цементация находит все более широкое применение.

Цементованные изделия приобретают окончательные свойства после термической обработки: закалки и низкого отпуска. При газовой цементации закалку можно проводить без повторного нагрева, непосредственно из печи после некоторого подстуживания. Температура закалки 820...860 °С. В особо ответственных случаях проводят двойную закалку: первую — с температуры цементации (880...900 °С) для дробления цементитной сетки и измельчения зерна сердцевины; вторую —- с температуры 760...800 ^СС. Закаленная после цементации деталь в поверхностном слое имеет структуру: М или М + Ц, а сердцевина: Ф + П. Это обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхности при высокой вязкости сердцевины изделия. Закаленную сталь затем подвергают низкому отпуску при температуре 160...180 °С. Твердость обработанных таким образом изделий находится в пределах HRC 60...64.

При цементации легированных сталей возможно получение струк­туры: М + Ф или М в сердцевине изделия, но малоуглеродистый мартенсит, повышая прочность сердцевины, почти не снижает вязкости. После закалки и низкого отпуска легированные стали имеют твердость HRC58...61, так как содержат много мягкого остаточного аустенита.

Цементируют истирающиеся детали машин с высокой контактной прочностью: кулачковые валики, зубчатые колеса, пальцы, червяки, толкатели клапанов, распределительные валики двигателей внутреннего сгорания и др.

Азотирование сталей. Процесс диффузионного насыщения поверхности изделия азотом называется азотированием. Этот способ впервые предложен Н. П. Чижевским в 1913 г.

Азотирование применяется в основном для среднеуглеродистых легированных сталей, так как только специальные термически стойкие и твердые нитриды молибдена, хрома, алюминия позволяют одновременно повысить коррозионную стойкость, твердость и износостойкость металла при повышенных температурах.

Азотирование углеродистых сталей проводится в случаях, когда достаточно повышение только коррозионной стойкости изделия.

Азотированию подвергаются изделия, прошедшие окончательную термообработку улучшения и доведенные шлифованием до точных размеров. Это объясняется тем, что насыщенный азотом поверхностный слой (глубиной 0,3...0,6 мм) получает высокую твердость, изделия не нуждаются в дополнительной термообработке, а их размеры после азотирования практически не меняются. Твердость азотированного слоя сталей, легированных Сг, Mo, A1, составляет 1000......1200 HV, что превосходит твердость цементированного и закален­ного изделия (750...950 HV). Но азотирование — процесс длительный. Поэтому его применяют в тех случаях, когда требуется хорошая коррозионная стойкость, высокое сопротивление износу в условиях знакопеременных нагрузок (шейки коленчатых валов), со­хранение твердости при 500...600 °С (гильзы и штоки клапанов).

Азотирование проводится в печах в среде аммиака при нагреве до 500...520 °С. Диссоциация аммиака с образованием атомарного азота завершается его адсорбцией и диффузией в поверхностный слой. Скорость диффузии очень мала, и требуется 24...80 ч для достижения глубины в 0,4...0,6 мм. После азотирования изделие подвергают окончательной шлифовке.

Если требуется повышение только коррозионной стойкости, азотирование ведут при 600...700 °С и заканчивают за 0,5...8 ч в зависимости от габаритов детали.

Цианирование стали. Цианированием называют процесс одновременного диффузионного насыщения поверхности стали углеродом (до 0,7%) и азотом (до 1,2%). Оно подразделяется на высокотемпературное (900...950 °С) и низкотемпературное (540...560 °С).

В первом случае поверхность насыщается преимущественно углеродом, во втором — азотом. Цианированные стали подвергаются закалке и низкому отпуску.

Жидкостное цианирование (самый распространенный способ) в расплаве цианистых солей применяется для повышения прочности и износостойкости небольших деталей, работающих при малых удельных нагрузках. При высоких температурах цианистые соли распадаются с образованием атомарных углерода и азота, адсорбция которых на поверхности приводит к ее насыщению на глубину 0,2...0,5 мм.

Газовое цианирование (нитроцементация) проводится в смеси науглероживающих газов и 20...30% аммиака при низкотемпературном и 3...7% аммиака при высокотемператур­ном процессе. Оно позволяет получать как тонкие, так и толстые (до 1,5...2,5 мм) упрочненные слои. Газовому цианированию подвергают стали с содержанием 0,2...0,4% С. Процесс может быть полностью механизирован и автоматизирован.

Диффузионная металлизация. Процесс поверхностного насыщения стали различными металлами и элементами называется диффузионной металлизацией или поверхностным легированием. В зависимости от насыщающего элемента различают хромирование (насыщение хромом); алитирование (алюминием); силицирование (кремнием); борирование (бором) и др. Кроме этих видов, широко применяют комплексную металлизацию.

Процесс насыщения поверхности производится при температуре 800...1200 °С в твердых (порошок ферросплава + NH₄Cl), жидких (расплавленный металл) и газообразных (хлориды) средах.

В зависимости от способа диффузионная металлизация повышает твердость, коррозионную стойкость, жаростойкость и износостойкость изделий из стали.