Химико-термическая обработка стали

 

Объемная закалка с последующим отпуском не может обеспечить работоспособности детали в условиях повышенного изнашивания в сочетании с ударными нагрузками. Для этого одновременно необходимы высокие значения и твердости, и ударной вязкости. В этих случаях используется поверхностное упрочнение, обеспечивающее высокую твердость поверхности детали и, следовательно, износостойкость при вязкой сердцевине. Поверхностное упрочнение осуществляется методами химико-термической обработки (ХТО), сочетающими химическое и тепловое воздействие с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя, также поверхностной закалкой.

Химико-термическая обработка – процесс поверхностного насыщения деталей различными элементами путем их диффузии из внешней среды. Процесс ХТО состоит из трех стадий:

диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Например, диссоциация оксида углерода с образованием атомарного углерода (2CO→ CO₂+C), аммиака с образованием атомарного азота (2NH₃→3H₂+2N);

адсорбции – осаждение активных атомов диффундирующего элемента на поверхности;

диффузии – проникновения насыщающего элемента в глубь металла.

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры, продолжительности выдержки и доли диффундирующего элемента на поверхности детали. Скорость диффузии, толщина слоя возрастают с повышением температуры и длительности процесса ХТО. В промышленности находят применение следующие разновидности химико-термической обработки:

– цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

– азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

– нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

– диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900 – 950 °С. Цементации подвергают стали с низкой долей углерода (до 0,25 %), которые называют цементируемыми. Это эаэвтектоидные стали, их структура в равновесном (отожженном) состоянии – феррит (большая часть) и перлит. Твердость и прочность этих сталей низкие, а пластичность и ударная вязкость высокие. Из-за низкой доли углерода они практически не закаливаются.

Нагрев изделий осуществляют в среде, карбюризаторе, содержащих углерод, при 900 – 950 °С, т.е. выше точки А _{с 3} – в области устойчивого аустенита, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации h – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h = 1…2 мм). Степень цементации – средняя доля углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2 %).

Более высокая доля углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость. На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде). Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Твердая цементация осуществляется в карбюризаторе, содержащем активированный древесный уголь (70 %) и порошки углекислых солей: ВаСО₃ (25 %) для интенсификации процесса и СаСО₃ (5 %) для предотвращения спекания угольных гранул.

Детали с припуском под шлифование укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при значении температуры 930 – 950 °С. За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием оксида углерода (СО), который разлагается с образованием атомарного углерода по реакции 2CO→ CO₂+C_ат.

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла¸ т.е растворяются в аустените. К недостаткам такой технологии следует отнести невозможность регулирования степени насыщения поверхности деталей углеродом, а также более низкую скорость цементации по сравнению с газовой (в два раза меньше), поскольку необходимо время для прогрева контейнеров и смеси. Твердая цементация применяется в условиях единичного и мелкосерийного производства, отличается простотой выполнения, не требует специального оборудования.

Газовая цементация характерна для серийного и массового производства. Осуществляется она в среде газов, содержащих углерод. Часто используется карбюризатор, состоящий из смеси метана СН₄ (природный газ) и оксида углерода СО, при диссоциации которых образуется атомарный углерод:

СН₄→2Н₂+ С_ат,

2СО→СО₂+С_ат.

Газовая цементация позволяет обеспечить заданную концентрацию углерода в слое, механизацию и автоматизацию процесса, процесс занимает меньше времени. Структура цементованного слоя представлена на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Структура цементованного слоя

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности доля углерода снижается, и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество по мере удаления от поверхности увеличивается. И наконец структура становится отвечающей исходному составу.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия (рис. 5.14).

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 5.14, а).

Рис. 5.14. Режимы термической обработки цементованных изделий

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820–850 °С (рис. 5.14, б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины. Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 5.14, в).

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880 – 900 °С для исправления структуры сердцевины. Вторая закалка проводится с температуры 760 – 780 °С для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое. Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150 – 180 °С. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения. Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

Азотирование – это насыщение поверхности стали азотом. При азотировании не только увеличиваются твердость и износостойкость, но и повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃c определенной скоростью. При наг-реве (480 – 560 ºС) аммиак диссоцирует по реакции 2NH₃>2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия. Растворимость в стали азота больше, чем углерода, – 0,1 % при 591 ºС.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердости, и образующийся слой хрупок.

Для азотирования используют среднеуглеродистые легированные стали, содержащие алюминий, молибден, хром, ванадий, потому что углеродистые стали при азотировании практически не упрочняются. Азот образует с легирующими элементами нитриды, которые дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Наибольшую твердость имеют нитриды алюминия. Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю. Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

– для  повышения поверхностной твердости и износостойкости;

– для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при значении температуры 500 – 560 °Св течение 24 – 90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Доля азота в поверхностном слое составляет 10 – 12 %, толщина слоя 0,3 – 0,6 мм. На поверхности получают твердость около HV 1000. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы, бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5 – 60 мин при напряжении 1100 – 1400 В и давлении 0,1–0,2 мм рт.ст., рабочее напряжение 400 – 1100 В, продолжительность процесса до 24часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования 650 – 700 °С, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой ε - фазы толщиной 0,01 – 0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии (ε - фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₃N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском). После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

К достоинствам азотирования следует отнести высокую твердость поверхности до 1100 – 1200 НV (HRC70 – 72, при цементации не более HRC 60 – 64), сохранение твердости при нагреве свыше 500 ºС (при цементации не выше 200 ºС), коррозионную стойкость слоя. Недостатком по сравнению с цементацией является малая глубина слоя, это определяет слабое сопротивление высоким контактным нагрузкам – твердый слой может продавливаться в мягкую сердцевину.

Цианирование и нитроцементация. Цианированиеинитроцементация – это процессы диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий одновременно углеродом и азотом. Нитроцементация осуществляется в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака при значениях температуры 840 – 860 ºС в течение 2 – 10 ч. При этом получают слой толщиной 0,2 – 0,8 мм с 0,7 – 0,9 % углерода и до 0,3 – 0,4 % азота.

По сравнению с газовой цементацией нитроцементация имеет преимущества. Более низкие температуры процесса не вызывают рост аустенитного зерна и большие деформации. Используют в автомобильной и тракторной промышленности. Остаточный аустенит обеспечивает хорошую прирабатываемость трущихся деталей.

Цианирование выполняется в жидкой среде, состоящей из расплава солей, содержащих в качестве источника углерода и азота цианогруппу СN: цианида натрия NaCN; желтой кровяной соли K₄Fe(CN₆) и некоторых других. Цианирование проводят путем погружения изделий в ванну, которая наполнена расплавом. Различают высокотемпературное, среднетемпературное и низкотемпературное цианирование.

Преимущества цианирования перед цементацией: меньшая продолжительность процесса, более высокая износостойкость упрочненного слоя, меньшие деформации и коробление, возможность упрочнения только части детали, погруженной в ванну. Недостатки процесса цианирования – высокие токсичность и стоимость цианистых солей. Цианирование проводят в специальных помещениях, обеспечивают хорошую вытяжку от зеркала ванн.

Диффузионная металлизация – это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали металлами.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием. Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл, например в алюминий.

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых значениях температуры диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осу-ществляется при высоких температурах (1000 – 1200 °С) в течение длительного времени. Одним из основных свойств металлизи-рованных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаро-стойкие детали для рабочих значений температуры 1000 – 1200 °Сизготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (HV 2000) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB₂) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие. Разработаны технологии титанирования (насыщения титаном) и цинкования (насыщение цинком) стальных деталей.