Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) сводится к диффузионному насыщения поверхностного слоя стали неметаллами (С, N, Si, B и др) или металлами (Cr, Al и др) при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде для изменения химического состава и повышения твердости и износостойкости поверхности детали. Это объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, коррозии, кавитации и циклических нагрузок. ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость.

Чаще всего для этой цели применяются цементация азотирование и цианирование.

3.3.1 Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали при нагреве в карбюризаторе.

Как правило, цементацию проводят при температуре выше точки АС3 (930-950°С), когда устойчив аустенит, растворяющий в большом количестве углерод. Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,1-0,18%С), чаще легированные стали (18ХГТ, 20Х и тд).

Хорошие результаты дает газовая цементация оксидом углерода или метаном СН₄ в специальной герметичной камере при температуре 900-950°С в течение 6-12ч.

Образующийся при диссоциации упомянутых газов атомарный углерод С_ат диффундирует в аустенит поверхностного слоя: CO→1/2O₂+C_ат и CН₄→2H₂+C_ат. А после закалки в поверхностном слое образуется мартенсит закалки. После низкого отпуска упрочненный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с равномерно распределенными в нем зернами карбидов.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50-100мкм).

3.3.2 Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость, износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии (атмосфера, вода, пар и др.) поверхностного слоя. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементированного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450-500°С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-250°С.

Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH₃ (25-60%): NH₃ →1,5H₂+N_ат при температуре 500-600°С. Наиболее твердыми и термостойкими нитридами, образующими при азотировании, являются нитриды хрома, алюминия и молибдена (CrN, AlN, MoN). Поэтому детали, подвергающиеся азотированию, должны изготовляться из среднеуглеродистой стали, содержащие упомянутые легирующие элементы, например из стали 35ХНМЮА.

Технология процесса азотирования.

Технологический процесс предусматривает несколько операций:

1) Предварительная термическая обработка заготовки, которая состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Высокий отпуск проводят при температуре 600-675°С, превышающей температуру последующего азотирования и обеспечивающей такую твердость, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после отпуска – сорбит отпуска.

2) Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.

3) Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01-0,015мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла.

4) Азотирование.

5) Окончательное шлифование или доводка.

Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3-0,6мм. Процесс азотирования при 500-520°С продолжается 24-60ч.

Ионное азотирование – азотирование в тлеющем разряде, которое проводят в разряженной атмосфере NH₃ или N. При подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду – катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом и анодом возбуждается тлеющий разряд и ионы газа, бомбардируя поверхность детали, нагревают ее до температуры насыщения, которое проводят в течение 5-60 мин при температуре 1100-1200°С и низком давлении.

3.3.3. Цианирование – одновременное насыщение поверхностных слоев стали углеродом и азотом при нагреве для повышения твердости и износостойкости.

Цианированию подвергают низкоуглеродистые конструкционные и инструментальные быстрорежущие стали.

Различают жидкое и газовое высоко- и низкотемпературное цианирование, а также цианирование в твердой среде.

При высоких температурах преобладает насыщение стали углеродом, а низких – азотом.

Жидкое цианирование осуществляется погружением стальных изделий в ванны, содержащие расплавленные цианистые соли NaCN, KCN или Ca(CN)₂ и нейтральные соли NaCl, KCl, BaCl₂,Na₂CO₃, BaCO₃ и др. Цианистые соли являются источником поверхностного насыщения стали углеродом и азотом.

Высокотемпературное (800-950 °С) цианирование применяют обычно для низкоуглеродистых сталей с целью повышения твердости и износостойкости, а низкотемпературное (540-560°С) – для быстрорежущей стали с целью повышения режущих свойств инструментов.

Цианирование происходит вследствие диссоциации цианистого натрия при его окислении кислородом воздуха по реакции:

2NaCN+O₂=2NaCNO

4NaCNO=Na₂CO₃+2NaCN+2N_ат

или

2NaCNO+O₂=Na₂CO₃+CO+2N_ат

2CO=CO₂+C_ат

Полученные N_ат и C_ат адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундируют в глубь, образуя цементит и нитриды.

После жидкого цианирования изделия подвергают закалке и отпуску. После высокотемпературного цианирования в течение 0,5-3ч толщина слоя равна 0,2-1,0мм. В слое содержится 0,8-1,2% и 0,2-0,3%N₂. Твердость слоя после термообработки составляет 58-62HRC.

После высокотемпературного цианирования (930-950°С) для уменьшения величины зерен стали, изделия сначала охлаждают на воздухе, а затем нагревают до 800-850°С, после чего подвергают закалке и низкотемпературному отпуску.

Газовое цианирование деталей осуществляют в специальных печах, через которые пропускают газовую смесь (природный, пиролизный, содержащих метан и окись углерода) и аммиака. Это один из совершенных методов ХТО.

Газовому цианированию подвергают изделия сложной конфигурации из конструкционной, углеродистой, низко- и среднелегированной сталей, а также инструмент из быстрорежущей сталей. Для конструкционной углеродистой и легированной сталей применяют высокотемпературное газовое цианирование при 800-825°С с целью повышения твердости и износостойкости, а для быстрорежущей стали низкотемпературное цианирование при 540-560°С с целью повышения режущих свойств и стойкости инструмента. После газового цианирования проводят закалку и низкотемпературный отпуск.

Цианирование в твердой среде применяют для режущих инструментов. Инструмент упаковывают в ящики и засыпают смесью состоящей из 60-80% древесного угля и 40-20% порошкообразных смесей Na₂CO₃, K₄Fe(CN)₆ и при температуре 540-560°С в течение 0,5-2,5ч. Цианирование повышает твердость и износостойкость поверхности (в 1,5-2 раза) инструмента из быстрорежущих и высоколегированных сталей (Р9, Р18, Х12, Х12М и тд)

3.3.4 Диффузионная металлизация. Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами (алюминием, хромом, цинком, бериллием, молибденом и др), а также кремнием, бором для защиты изделий от коррозии и повышения жаростойкости, износостойкости и твердости. Она осуществляется в твердых, жидких и газообразных средах. Наибольшее применение получили алитирование, хромирование, силицированеи, борирование и др.

Алитирование стали – поверхностное насыщение низкоуглеродистой стали алюминием для повышения ее коррозионной стойкости.

Алитирование в твердой фазе осуществляется в закрытых нихромовых ящиках в которые укладываются стальные детали и пересыпаются порошкообразной смесью: 49% Al, 49% Al₂O₃ и хлористого аммония 2% NH₃Cl. После упаковки ящики герметично закрывают и нагревают в камерных печах до 900-1000°С в течение 2-12ч, что обеспечивает толщину алитированного слоя 0,1-1,0мм.

При указанных температурах хлористый алюминий диссоциирует с выделением с хлористого водорода, который взаимодействует с алюминием, образует хлористый алюминий, а последующий при контакте с железом диссоциирует с образованием атомарного алюминия:

NH₄Cl=NH₃+HCl

6HCl+2Al=2AlCl₃+3H₂

AlCl₃+Fe=FeCl₃+Al_ат

Атомарный алюминий адсорбируется поверхностью изделия и диффундирует вглубь, образуя с железом твердый раствор.

Алитированный слой обладает повышенной хрупкостью, поэтому для устранения его хрупкости алитированные детали подвергают отжигу, что снижает концентрацию алюминия в поверхностном слое изделия и способствует его диффузии вглубь металла. По данному способу алитируют: коллекторы моторов, цементируемые ящики, колосники, топливники газогенераторов, паронагревательные трубы, чехлы для термопар, электронагреватели и др.

Жидкое алитирование – осуществляется погружение стальных деталей в ванну с расплавленным алюминием при 750-800°С, выдержке 45-90мин. Толщина полученного алитированного слоя 0,2-0,35мм. Последующий диффузионный отжиг при 900-1000°С увеличивает толщину алитированного слоя до 1мм.

Газовое алитирование – осуществляется в горизонтальных ретортах, одну половину которых нагревают до 600°С и в нее помещают куски ферроалюминия или смесь: 45% Al, 45% Al₂O₃ и 10% NH₄Cl, а другую половину нагревают до 900-1000°С, где помещают детали и непрерывно пропускают: H₂Cl, HCl. Под действием газа образуется хлористый алюминий, который взаимодействует с железом стальных деталей, образу атомарный алюминий по приведенной реакции алитирования в твердой среде. При газовом алитировании в течение 2ч при 1000°С – толщина слоя 0,51мм, а при 1050°С – 0,22мм.

Электролитическое алитирование – стальные детали погружают в ванну с расплавленными солями (50% AlCl₃ и 50% NaCl) при 700-800°С. Детали включают в цепь постоянного тока к катоду, а расплавленный алюминий на дне ванны является анодом. При 800°С и плотности тока 0,5-1,0 А/дм² толщина слоя достигает 1,5мм. Последующий отжиг деталей увеличивает толщину упрочненного слоя.

Хромирование стали. Диффузионное насыщение поверхности стали хромом применяется для повышения ее твердости, износостойкости и жаростойкости и придания высокой кислотоустойчивости, антикоррозионности. Хромированию подвергают низкоуглеродистые стали при 950-1150°С в течение 10-15ч в зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя.

Хромирование в твердой среде осуществляется в железных или нихромовых ящиках, в которые укладывают стальные детали и пересыпают порошкообразной смесью: 50-55% FeCr, 45-50% Al₂O₃ и 2-3% NH₄Cl. процесс хромирования протекает при 1100-1150°С в камерных печах. При этой температуре хлористый аммоний (NH₄Cl) диссоциирует с выделением хлористого водорода (HCl), который, взаимодействуя с хромом, образует хлорид хрома (CrCl₃):

NH₄Cl= NH₃+HCl

2HCl+Cr= CrCl₃+H₂

Газообразный хлорид хрома при контакте с железом выделяет атомарный хром(Cr_ат):

3CrCl₃+Fe= FeCl₃+Cr_ат

Атомарный хром адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундирует во внутренний слой. Толщина упрочненного слоя за 10-15ч хромирования достигает 0,15-0,2мм.

Газовое хромирование осуществляют в герметически закрывающейся реторте, в которую с одной стороны помещают порошок хрома или феррохрома, а с другой стороны и в среднюю часть помещают стальные детали. При достижении температуры нагрева реторты 950-1050°С в нее поступает смесь H₂+HCl или Cl₂+HCl со стороны расположения порошка хрома и вследствие взаимодействия хрома CrCl₂ и CrCl₃. Последние при контакте с поверхностью стальных деталей, вступают в обменную реакцию с железом и выделяют атомарный хром, диффундирующий в поверхностные слои детали.

Жидкое хромирование осуществляется в ванне с расплавленными солями: 70% BaCl₂, 30% NaCl и 20-25% FeCr или СrCl₂ от массы солей Ba и Na. Процесс хромирования ведут при температуре ванны 950-1000°С в течение 1-5ч, что обеспечивает образование упрочненного слоя толщиной 0,1-0,2мм на деталях из стали 10.

Полученный слой на поверхности деталей из низкоуглеродистых сталей состоит из твердого раствора хрома в α-железе, а на поверхности деталей из высокоуглеродистых сталей этот слой состоит из карбидов хрома (FeCr)₇C₃ и (FeCr)₄C толщиной 0,15-0,2 мм, твердость которого составляет HV 1200-1300.

Хромирование применяют для упрочнения и повышения износостойкости паросилового оборудования, клапанов, вентилей патрубков и т.д.

Силицирование стали – процесс поверхностного насыщения стали кремнием, обеспечивающей повышение кислотоупорности, окалиностойкости и износостойкости. Его применяют для деталей применяемых в химической, бумажно-целлюлозной, нефтяной и других отраслях промышленности (валики насосов, трубопроводы, детали теплообменников, клапаны, арматура и т.д.). Применяют твердое и газовое силицирование.

Твердое силицирование – проводят в специальных металлических ящиках, детали в которых, пересыпают порошкообразной смесью: ферросилиций, хлористый аммоний, шамот, песок. После герметизации ящики помещают в камерные печи, где нагревают до 1100-1200°С в течение 2-24ч в зависимости от размеров деталей и требуемой толщины силицированного слоя. Хлористый аммоний диссоциирует с образованием хлористого водорода, который, взаимодействует с кремнием ферросилиция, образует хлорид кремния и при взаимодействии его с железом стальных деталей выделяется атомарный кремний по реакции:

NH₄Cl=NH₃+HCl

4HCl+Si=SiCl₄+2H₂

3SiCl₄+4Fe=4FeCl₃+3Si_ат

Атомарный кремний адсорбируется поверхностью стальных деталей, а затем диффундирует вглубь, образуя твердый раствор в

α-железе. Толщина силицированного слоя равна 0,2-0,9мм, а твердость небольшая HV200-300.

Газовое силицирование проводят в герметически закрытых муфелях или печах с вращающимися ретортами.

В реторту печи загружают детали и карбид кремния или ферросилиций. При температуре 950-1050°С в реторту пропускают хлор или хлористый водород. При этом пропускают те же химические реакции, что и при твердом силицировании. Продолжительность процесса 2-5ч, толщина силицированного слоя 0,5-1,25мм. После окончания процесса детали охлаждают вместе с печью до 100-200°С при непрерывной подачи хлора для предотвращения их окисления, а затем кипятят в воде с целью удаления хлоридов кремния.

Борирование стали применяют для насыщения поверхностных слоев стальных изделий бором, что обеспечивает их высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. применяют твердое, жидкое, электролизное и газовое борирование.

Электролизное борирование осуществляется при 900-950°С в специальных ваннах в расплавленных солях, содержащих бор (бура Na₂B₄O₇ и др.). Стальные изделия погружаемые в расплавленные соли являются катодом. В качестве анода применяют платиновую проволоку Ø1мм, свернутую в кольцо вокруг изделий на расстоянии 1-1,5см. плотность тока 0,1-0,15 А/см². При расплавлении и электролизе бура диссоциирует по реакциям:

Na₂B₄O₇=Na₂O+2B₂O₃

Na₂B₄O₇=2Na+B₄O_7­

При этом натрий выделяется на катоде, а B₄O_7­ – на аноде, где происходит разряжение анионов B₄O_7­ с выделением кислорода и борного ангидрида:

2B₄O_7­= 4B₂O₃+О₂

Металлический натрий восстанавливает окисел бора B₂O₃ до металлического бора:

6Na+ B₂O_3­= 3Na₂O+B₂

Полученный активный бор адсорбируется поверхностью стального изделия и диффундирует вглубь, образуя бориды железа FeB и Fe₂B и твердый раствор бора в α-железе. Толщина упрочненного слоя составляет 0,1-0,3мм в зависимости от температуры и продолжительности процесса.

Жидкое борирование осуществляется в ванне с расплавленными хлористыми солями и добавками порошкообразного бора 950-1050°С. Химизм процесса борирования тот же, что и при электролизе. Толщина упрочненного слоя 0,11-0,3мм при длительности процесса 3ч.

Газовое борирование – перспективный метод насыщения бором поверхностных слоев стальных деталей сложной конфигурации, а так же внутренних поверхностей труб. При газовом борировании используют диборан B₂H₆ в смеси с водородом или аргоном или трихлористый бор BCl₃ в смеси с водородом. процесс ведут при 850-900°С в специальных ретортах в которые помещают детали и подают смесь газов. В присутствии железа диборан диссоциирует, вследствие чего получается атомарный бор, который адсорбируется поверхностью детали и диффундирует во внутренние слои, образуя упрочненный слой толщиной 0,1-0,2мм.