Химико-термическая обработка стали

К ХТО относятся такие термические процессы в искусственно созданной активной среде, которые приводят к изменению химического состава, а вместе с тем и свойств поверхностного слоя обрабатываемого металла. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до определенной температуры в химически активной среде, некоторой выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При этом развиваются такие процессы, которые обеспечивают поступление к обрабатываемой поверхности изделия активных атомов того или иного вещества. Эти атомы адсорбируются на поверхности металла и, проникая в решетку, насыщают его поверхностные слои.

Таким образом, в основе химико-термической обработки лежат диффузионные процессы. Диффузионные процессы в твердом состоянии идут весьма медленно и поэтому, несмотря на длительность химико-термической обработки, диффундирующее вещество проникает на небольшую глубину.

Обычно химико-термическую обработку применяют к различным деталям машин и приборов с целью повышения их поверхностной твердости, износоустойчивости, усталостной прочности, антикоррозионных свойств и жаростойкости.

Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:

· создание активных атомов;

· перенос активных атомов к поверхности детали, взаимодействие их с поверхностью;

· диффузия активных атомов в глубь металлов.

Все эти 3 стадии процесса идут последовательно, и поэтому общая скорость ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.

Обычно наименьшая скорость - это скорость диффузии в металле. Для ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности детали.

Классификация ХТО:

1. ХТО с насыщением неметаллами (С, N, Si, B);

2. ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn);

3. Многокомпонентная ХТО.

Основные виды ХТО разработаны и применяются для стальных деталей. В зависимости от основного насыщенного компонента эти виды называют:

1. Цементация - насыщение углеродом.

2. Азотирование - насыщение азотом.

3. Нитроцементация - насыщение С и N.

Технологический процесс насыщения поверхности детали может происходить по-разному:

· способ насыщения из порошковых засыпок, т.е. деталь засыпают порошками, содержащими нужные элементы. Способ самый универсальный, наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и необходима потребность в большом количестве порошка;

· насыщение из газовой фазы. Детали помещают в специальные печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода в ряде случаев сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.

· насыщение из жидкой среды. При этом способе детали помещают в расплавы солей, щелочей, металлов, содержащих нужный элемент.

· насыщение из пасты. Этот способ применяется для местного насыщения детали легирующими элементами.

· насыщение в вакууме. Деталь помещают в вакуумную камеру, нагревают и конденсируют на нее атомы легирующих элементов. Применяется для специальных деталей или детали, которые не должны окисляться.

Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является основным компонентом в данной детали.

Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры. Глубина диффузионного слоя d (х) в значительной степени зависит от коэффициента диффузии Д легирующего элемента и от времени насыщения. Коэффициент диффузии определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение. Толщина насыщенного слоя определяется, прежде всего, временем t:

.

В некоторых случаях после ХТО проводят дополнительную обработку, включающую закалку и отпуск, для того, чтобы получить необходимую структуру на поверхности и заданные свойства.

Цементация представляет собой процесс насыщения поверхностей деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости. Цементацию применяют для деталей, в которых твердость поверхностных слоев должна сочетаться с вязкой сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. Цементации подвергают стали, в которых содержание углерода обычно не превышает 0,1…0,25% С.

Цементацию насыщением «С» проводят либо из твердой среды, либо в специальных газовых средах. Процесс цементации ведется при высоких температурах порядка 900…950 °C. Такая температура необходима для перехода структуры в аустенитное состояние.

Температура цементации должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить аустенитную структуру и не вызвать рост зерна. Продолжительность процесса цементации определяется необходимой глубиной насыщаемого слоя и определяется, исходя из скорости насыщения ~ 0,1 мм/ч. Общая продолжительность 8…10 часов. После окончания процесса цементации деталь охлаждается, при этом происходит изменение её структуры.

Для газовой цементации используют контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую фазу. В поверхностном слое образуется микроструктура, состоящая из трех зон: заэвтектоидная: П+Ц₂ (С > 0,8 %), эвтектоидная: П (С=0,8 %) и доэвтектоидная: П+Ф (С< 0,8 %).

Для получения нужных свойств детали после цементации в обязательном порядке подвергают дополнительной термообработке. Она включает в себя одинарную или двойную закалку и последующий низкий отпуск. Если деталь не имеет ответственного назначения, то после цементации применяют одну закалку. Нагревают до 880…900°С и охлаждают в масле. Закалка с такой температурой вызывает частичное растворение цементитной сетки. В результате, вместо сплошных выделений вторичного цементита по границам, образуются отдельные мелкие включения по всему объему металла. Но закалка с такой температурой сохраняет крупнозернистое строение стали. Поэтому вязкость будет пониженная. Отпуск при температуре 160…180°С позволяет уменьшить закалочные напряжения без уменьшения твердости.

Для ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам, применяют сложную ТО, которая состоит из трех операций.

1. Высокотемпературная закалка 860…880°С, которая для крупно-габаритных деталей может быть заменена на нормализацию. Эта операция термообработки направлена на устранение цементитной сетки.

2. Закалка 760…780°С (обязательная). Повторная закалка позволяет измельчить зерно в стали и соответственно повысить ее вязкость.

3. Низкий отпуск (1…2 часа). Цель - снятие закалочных напряжений. Дополнительная обработка после цементации позволяет перевести перлитную структуру в мартенситную.

Это обеспечивает увеличение прочности и твердости поверхности.

Окончательные свойства детали получаются после цементации и термообработки: поверхность будет иметь твердость 58…62 HRC.

После цементации, закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Для тяжело нагруженных деталей, цементуемых на толщину более 0,5…0,6 мм, следует применять стали легированные никелем (до 4%), повышающим пластичность мартенсита, и молибденом (до 8 %), резко повышающим прокаливаемость цементованного слоя.

Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быть непосредственно мелкозернистой.

Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение предела контактной выносливости, предела выносливости при изгибе, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки. Для измельчения зерна цементуемые стали микролегируют V, Ti, Nb, Zr, A1 и N, образующими дисперсные нитриды VN, TiN, A1N, карбонитриды V (N, С), Ti (N, С), Zr (N, С) или карбиды TiC, VC, задерживающими рост зерна аустенита.

Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. На ВАЗе широко применяют сталь 20ХГНМ (0,18…0,23 % С, 0,7…1,1% Мn, 0,4…0,7 % Сr, 0,15… 0,25 % Мо), а также 19ХГН и 14ХГН, содержащие по 0,8…1,1% Мn, Сr и Ni. После закалки и низкого отпуска эти стали имеют s_в = 1100…1200 МПа, s_0,2= 850…950 МПа, d = 7…8 % и KCU =0,6…0,8 МДж/м².

В настоящее время применяется ряд новых сталей для цементации, обладающих мелким зерном, глубокой прокаливаемостью слоя и сердцевины (табл. 4). После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

Таблица 4

Химический состав некоторых сталей, %, для цементации

Марка стали	С	Mn	Cr	Ni
25ХГНМТ 25ХГНМАЮ 20ХГН2МБФ	0,23…0,29 0,23…0,29 0,15…0,22	0,5…0,8 0,5…0,8 0,5…0,8	0,4…0,6 0,4…0,6 0,4…0,6	0,8…1,1 0,8…1,1 1,6…2,0
Марка стали	Mo	Ti, Al	Nb	N
25ХГНМТ 25ХГНМАЮ 20ХГН2МБФ	0,4…0,5 0,4…0,5 0,5…0,6	0,04…0,09 Ti 0,02…0,06 Al -	- - 0,05…0,10	- 0,01…0,02 0,01…0,16 V

Цементацию широко применяют для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.

Нитроцементация сталей – процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 840…860 °Св газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Эта ХТО направлена на получение свойств, включающих достоинства и цементации и азотирования одновременно. Если насыщение С и N происходит из газовой фазы, то этот процесс называется нитроцементацией, если процесс идет из жидкой среды (расплавленных цианистых солей), то этот процесс называют цианированием.

Нитроцементацию можно производить в шахтных печах для газовой цементации или азотирования. Она применяется для конструкционной стали. Процесс нитроцементации проходит при температуре, лежащей ниже температуры цементации, но выше температуры азотирования. Чем выше температура, тем энергичнее идет процесс насыщения углеродом и соответственно результаты получаются ближе к цементации. Чем ниже температура, тем больше насыщение «N » и свойства детали ближе к азотированию. Нитроцементация конструкционной стали производится при температуре 840…860 °Свыдержка 3…6ч, глубина слоя 0,01…0,025 мм. Для инструментальной стали применяют температуру 560 °С, глубина слоя 0,01…0,025 мм.

Нитроцементация осуществляется газом, состоящим из 20 % NH₄ и 97…80 % науглероживающего газа, применяемого для газовой цементации. Распространены жидкие среды, например, триэтаноламин (С₂Н₂ОН)₂N. Источниками активных атомов углерода и азота являются реакции диссоциации метана, окиси углерода и аммиака. После нитроцементации деталь подвергают закалке и низкому отпуску, причём закалка обычно проводится сразу после окончания ХТО без дополнительного нагрева. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180…200 °С.

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2…0,8 мм.На ВАЗе 95 % деталей, упрочняемых ХТО, подвергаются нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя до HV 600 для шестерён с модулем 1,5-3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1 мм, а при модуле 4,0-5,5 мм – 0,4 ± 0,1 мм.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементи-рованного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита, структура сердцевины - из троостосорбита, бейнита илималоуглеродистого мартенсита. В нитроцементированном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость нешлифуемых автомобильных шестерён, что обеспечивает их бесшумную работу.

В американской практике считается допустимым содержание в нитроцементируемом слое остаточного аустенита в количестве, при котором твёрдость после закалки не ниже 60 HRC. Чаще твёрдость слоя составляет 58…64 HRC.

Азотирование представляет собой процессдиффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин. Обычно азотирование проводят при температуре 500…550^оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак. На стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, затем диффундируют вглубь. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя e-фазы с ГП решёткой и упорядоченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.

Процесс азотирования весьма длительная операция. Так, при азотировании данной стали диффузионную зону около 0,5 мм получают при 500…520°С за 55 ч выдержки. Такую же толщину можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510 °С, 15 ч + 550°С, 25 ч. По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокую твёрдость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большой длительности и меньшей толщины упрочнённого слоя.

Наибольшее применение для азотируемых деталей, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, имеет сталь 38Х2МЮА. Хром и особенно алюминий образуют устойчивые нитриды, что придает стали очень высокую твердость (до HV 1100…1200). Хром, кроме того, повышает прокаливаемость и прочность стали. Молибден вводят в сталь для устранения отпускной хрупкости; одновременно он повышает прокаливаемость. Тем не менее, детали из стали 38Х2МЮА обладают невысокой прокаливаемостью (до 50 мм). Существенным недостатком этой стали является склонность к обезуглероживанию.

Сталь 38ХВФЮА содержит значительно меньше алюминия и несодержит дефицитного молибдена. Азотированный слой деталей, изготовленных из нее, приближается по своим свойствам к азотированному слою деталей из стали 38ХМЮА. Достоинство стали марки 38ВФЮА - меньшая хрупкость в связи с отсутствием в ней молибдена.

Для азотирования применяют также стали, не содержащие алюминия. Твердость таких сталей после азотирования несколько ниже и составляет НV 900…950. Хорошие результаты дает азотирование стали марки 18Х2Н4ВА, особенно для деталей больших размеров, когда требуется глубокая прокаливаемость. Кроме того, азотированию подвергают детали из нержавеющих, жаростойких, а также инструментальных сталей.

Детали, предназначенные для азотирования, подвергают предварительной термической обработке для придания необходимых механических свойств сердцевине деталей, а также для подготовки структуры для получения наилучших свойств азотированного слоя. Обычно такая термическая обработка сводится к закалке с высоким отпуском (улучшению). Особенность термической обработки деталей из сталей, содержащих хром, алюминий и молибден, заключается в применении повышенной температуры и большего времени выдержки при нагреве под закалку (примерно в 1,5 раза больше, чем обычно). Это необходимо для получения более однородного аустенита. Охлаждение при закалке производят в воде или масле; детали больших размеров охлаждают в воде. Небольшие детали сложной формы следует охлаждать в масле для уменьшения коробления. Для снижения внутренних напряжений и коробления рекомендуется перед закалкой подстуживать детали.