Теоретические сведения

К способам улучшения поверхностного слоя инструментальных сталей относятся следующие виды обработки: цианирование, суль- фидирование, азотирование, цементация, хромирование, электроли- тическое (гальваническое) покрытие, борирование, обработка паром, осаждение карбидов титана, наплавка.

Рассмотрим некоторые из этих процессов, относящихся к техно- логии химико-термической обработки сплавов.

Цементация – это диффузионное насыщение поверхности ста- ли углеродом с целью повышения твердости, износостойкости, кон- тактной прочности, усталостной прочности при сохранении относи- тельно мягкой и вязкой сердцевины.

Этот процесс проводится при температурах выше точки А_с3 (930

– 950 ^оС), когда аустенит находится в устойчивом состоянии и рас- творяет углерод в больших количествах. В качестве карбюризатора применяют природный газ, керосин, пиробензол, древесный уголь и другие богатые углеродом вещества.

Время выдержки в процессе насыщения поверхности стали уг- леродом зависит от того, диффузионный слой, какой глубины необ- ходимо получить. В обычных камерных или шахтных печах образу- ется за один час приблизительно 0,1 мм слоя.

Следует иметь в виду, что цементация обеспечивает только бла- гоприятное распределение углерода по сечению детали, а оконча- тельные свойства сталь приобретает после термической обработки – закалки и низкого отпуска.

После закалки в поверхностном насыщенном углеродом слое получают структуру мартенсит или мартенсит с избыточными карби- дами. Так как мартенсит высокоуглеродистый, твердость его не менее 60 HRC. В сердцевине, содержащей мало углерода, структура будет зависеть от температуры закалки.

Азотирование – это процесс ХТО, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом с целью получения в нем нитридов желе-

за и легирующих металлов для повышения износостойкости, устало- стной стойкости, коррозионной стойкости и теплоустойчивости.

В настоящее время азотирование является одним из эффектив- ных и распространѐнных методов упрочнения в различных отраслях машиностроения. Среди достоинств необходимо отметить высокую твѐрдость (до 1300 HV), которая достигается без закалки; незначи- тельную по сравнению с другими методами упрочнения деформацию деталей; теплостойкость поверхностного слоя до 500 – 600 °C, высо- кую износостойкость, коррозионную стойкость (особенно в атмосфе- ре); высокую усталостную выносливость. По микротвѐрдости азоти- рование уступает только борированию, в то же время, превосходя це- ментацию и нитроцементацию (незначительно).

К недостаткам метода относятся большая длительность процесса насыщения (до 100 ч), необходимость применения специальных ста- лей, низкая по сравнению с цементованными деталями контактная прочность, хрупкость поверхностного слоя и пониженная вязкость азотированных деталей.

Азотирование заключается в насыщении поверхностного слоя азотом в среде диссоциированного аммиака при температурах от 500 °C до 1200 °C. В результате азотирования сталь приобретает на поверхности высокую твѐрдость, не изменяющуюся при нагреве до 400–450 °C, низкую склонность к задирам, износостойкость, коррози- онную стойкость.

Диффузия азота в поверхностный слой, так же как и диффузия углерода, проходит по механизму внедрения. Перемещение атомов азота в кристаллической решѐтке металла происходит под действием разницы концентраций, и в результате образуется твѐрдый раствор внедрения азота в междоузлиях кристаллической решѐтки металла- растворителя. При достижении предельной концентрации азота в твѐрдом растворе α- или γ-железа из него под действием реакционной диффузии начинают выделяться нитриды железа. Наивысшая по- верхностная твѐрдость азотированного слоя получается при насыще- нии в области существования α-железа. Поэтому температура азоти- рования часто находится в пределах от 480 до 580 °C.

Наличие в стали легирующих металлов с более активным, чем у железа, сродством к азоту приводит к образованию специальных нит- ридов этих элементов. Наиболее сильно повышает твѐрдость азоти- рованного слоя алюминий, молибден и хром, а титан, ванадий, вольфрам – в меньшей степени. Мелкодисперсные нитриды этих эле-

ментов повышают общую твѐрдость поверхностного слоя и блокиру- ют плоскости скольжения.

Детали перед азотированием подвергают термической обработ- ке. Обычно применяют закалку и последующий высокий отпуск с температурой нагрева на 30–50°C выше температуры последующего азотирования. Это позволяет сохранять полученную структуру серд- цевины в процессе азотирования и избежать последующей термооб- работки.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения по- верхностного слоя детали хромом. Хромированию подвергаются из- делия, работающие в условиях износа; под напряжением (или без не- го) при высоких и криогенных температурах в средах, вызывающих химическую или электрохимическую коррозию; на усталость – меха- ническую, термическую и коррозионную.

Все технологии хромирования различаются по виду насыщаю- щей среды – твѐрдой, жидкой и газообразной.

Процесс протекает медленно, при проведении его в вакууме скорость насыщения увеличивается и предотвращается окисление из- делия. Качество поверхности улучшается.

Если хромированию подвергают низкоуглеродистые стали, то на поверхности образуется твѐрдый раствор хрома в железе и повышает- ся коррозионная стойкость.

При хромировании средне– и высокоуглеродистых сталей на поверхности образуется слой карбидов хрома, таких как Cr₇C₃, Сr₂₃C₆, так как одновременно протекают два процесса – диффузия хрома из карбюризатора и диффузия углерода из сердцевины к поверхности. При этом повышается не только коррозионная стойкость, но и твѐр- дость и износостойкость поверхности, твѐрдость карбидов достигает 18000 МПа, под ним слой альфа-железа с примесью карбидов хрома, имеющий твѐрдость порядка 4600 МПа. Толщина образующегося слоя 20 – 150 мкм.

Благодаря высокой концентрации (более 12 %) хрома диффузи- онный слой обладает хорошей сопротивляемостью коррозии в атмо- сфере (в том числе морской), перегретом паре, сернистых газах, орга- нических кислотах, азотной кислоте, щелочах и других средах. Он также устойчив в жидких металлах (Pb, Zn, Al). В соляной и серной кислотах хромированный слой не устойчив.

Цианирование – насыщение поверхности стали азотом и угле- родом в температурном диапазоне от 530 до 950 °С.

Данная технология обработки повышает твердость, предел вы- носливости, износостойкость поверхности стального изделия. Прин- цип цианирования основан на диффузии в структуру материала угле- рода и азота.

Результат процесса определяется несколькими факторами: тем- пературой нагрева, концентрацией азота и углерода, свойствами сре- ды и материала.

Различают цианирование в твердых, жидких, газовых средах.

Для твердого цианирования применяют среды, содержащие цианистые соли. Твердое цианирование по производительности зна- чительно уступает прочим видам, поэтому оно используется редко.

Жидкое цианирование является наиболее распространенным способом. Для него применяют расплавы, содержащие NaCl, NaCN, Na₂CO₃, BaCl₂, BaCO₂ в различных концентрациях и сочетаниях. Ос- новным компонентом расплава является –CN. Повышение его содер- жания приводит к возрастанию концентрации азота и углерода в диффузионном слое. Жидкое цианирование служит в качестве окон- чательной обработки стали.

Цианирование в газовой среде называется нитроцементацией. Процесс заключается в нагреве заготовки при 530 – 570°С на протя- жении 1,5 – 3 ч. в газовой смеси, содержащей азот и углерод (напри- мер, смесь аммиака NH₃ и монооксида углерода CO). Химическое взаимодействие названных газов приводит к формированию атомар- ных азота и углерода. Они создают слой, толщина которого опреде- ляется температурой и длительностью и составляет от 0,02 до 0,004 мм. Его твердость может составлять 900 – 1200 HV.

Контрольные вопросы

1. Что такое цементация? Параметры процесса.

2. Какие карбюризаторы применяют при цементации?

3. Какая термическая обработка применяется для цементо- ванных деталей?

4. Что такое хромирование? Параметры процесса.

5. Какие стали можно хромировать?

6. Какие карбюризаторы применяют при хромировании?

7. Что такое азотирование? Назначение процесса.

8. При каких температурах проводят азотирование? Длитель- ность процесса.

9. Какие фазы образуются при азотировании на поверхности?

10. Какие виды термической обработки применяют до азоти- рования?

11.