Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (углеродом, азотом, бором и т. п.) путем его диффузии из внешней среды. Изделие помещают в среду, богатую этим элементом, и нагревают. При этом происходят следующие процессы:
диссоциация – распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента;
адсорбция – осаждение атомов элемента на поверхности стальной детали;
диффузия – проникновение атомов элемента вглубь металла (в поверхностные слои детали).
При химико-термической обработке в стали протекают фазовые превращения, связанные с нагревом и охлаждением, изменяется химический состав и структура поверхностных слоев, что в широких пределах изменяет свойства.
3.3.1. Операции химико-термической обработки
Цементация стали – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом при нагревании выше критических точек в соответствующей среде – карбюризаторе.
При науглероживании, а затем закалке и отпуске поверхностный слой приобретает высокую твердость, износостойкость, в нем образуется остаточное напряжение сжатия. Сердцевина изделия (углерода – менее 0,3 %) закалку не воспримет – останется мягкой, пластичной.
Цементации подвергают конструкционные углеродистые и легированные стали с низким содержанием углерода (например, марки 15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 12ХН3А и др.). Этот процесс широко применяется в локомотиво-, станко- и автотракторостроении, инструментальном производстве и т. п.
Цементация в твердом карбюризаторе – наиболее древний способ. В настоящее время используется редко (чаще в единичном и мелкосерийном производстве). Карбюризатор – смесь порошка древесного угля и углекислых солей бария и натрия (10 – 40 %). Детали укладывают в стальной ящик, равномерно пересыпая карбюризатором. Ящик закрывают, помещают в печь и нагревают до 925 – 950°С. Длительность выдержки после нагрева зависит от требуемой глубины слоя (0,5 – 2,0 мм) при содержании в нем углерода до 1,0 – 1,2% (10 ч – для слоя глубиной в 1 мм). Контроль за процессом ведется по изломам стержней (свидетелей), специально вставляемых в ящик вместе с деталями.
Газовая цементация впервые применена Павлом Петровичем Аносовым в тридцатых годах девятнадцатого столетия на златоустовском заводе, в СССР впервые внедрена на московском автозаводе имени Лихачева. Ее проводят в печах непрерывного действия. Детали помещают в печь на поддонах, подвесках или в корзинах. В качестве карбюризатора применяют естественные (природные) и искусственные газы. Используют жидкие карбюризаторы (бензол, керосин, синтин), которые подаются в печь через капельницу.
При газовой цементации детали находятся в постоянном контакте с углеродосодержащими газами. При высокой температуре газы диссоциируют с выделением атомарного углерода, который оседает на поверхности стали и диффундирует в глубину детали. При газовой цементации выдержка составляет 4 – 5 ч на 1 мм глубины науглероженного слоя.
По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация имеет ряд преимуществ:
нагрев деталей происходит значительно быстрее и сокращается необходимое время выдержки при цементации;
возможность регулировки количества и состава цементирующего газа;
возможность полной механизации и автоматизации процесса;
улучшение условий труда.
Газовая цементация получила широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве, где затраты на специальное оборудование экономически целесообразны.
Микроструктура низкоуглеродистой стали после цементации изменяется от поверхности к центру детали (рис. 7). Поверхностная зона (заэвтектоидная) имеет структуру «перлит и цементит», затем идут эвтектоидная зона (перлит) и переходная, доэвтектоидная (перлит и феррит). Чем ближе к сердцевине, тем больше в переходной зоне феррита и меньше перлита. За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до середины переходной (третьей) зоны.
Задача цементации – получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь благоприятное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка с низким отпуском, при которой на поверхности получается мартенсит, а в сердцевине сохраняются низкая твердость и высокая вязкость.
Рис. 7. Микроструктура цементованной стали
Такая термическая обработка обеспечивает твердость поверхностного слоя HRC60 – 64 у углеродистых сталей и HRC58 – 62 – у легированных. Твердость сердцевины – HRC25 – 35 (в зависимости от состава стали).
Для закалки цементованные детали нагревают до 820 – 850°С с охлаждением в воде. Это обеспечивает измельчение зерна и закалку цементованного слоя, а также частичную перекристаллизацию с измельчением зерна сердцевины. Структура поверхностного слоя – мартенсит с небольшим количеством вторичных карбидов, твердость – HRC56 – 63.
При повышенных требованиях к свойствам деталей применяют двойную закалку или нормализацию и закалку. Первая закалка (или нормализация) – для измельчения зерна и исправления структуры перегретой стали (температура – 880 – 900°С), вторая закалка (неполная) – для получения мартенсита в поверхностном слое (температура – 760 – 780°С).
Цементованные стали после закалки обязательно подвергают низкому отпуску при температуре 160 – 180°С.
Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных деталей вследствие образования в поверхностном слое остаточного напряжения сжатия и понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Цементованная сталь обладает высокой износостойкостью и контактной прочностью.
Азотирование – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая резко повышает твердость и износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.
Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные алюминием, хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием (38ХЮ, 38ХМЮА,| 38ХВФА), образующие в поверхностных слоях нитриды легирующих элементов.
Детали, прошедшие улучшение (закалку с высоким отпуском), нагревают в среде аммиака до 500 – 520°С и выдерживают 24 – 60 ч. Предварительная термообработка необходима для получения повышенной прочности и вязкости сердцевины изделия. Толщина азотированного слоя – 0,3 – 0,6 мм, твердость его – HRC54 – 66. Наиболее высокую твердость имеют стали, легированные алюминием и ванадием.
Износостойкость и предел выносливости азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. После азотирования проводят шлифование, полирование и доводку деталей.
Нитроцементация – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживащего газа и аммиака.
Нитроцементация проводится для углеродистых и легированных сталей при температуре 840 – 860°С. Продолжительность операции – 4 – 10 ч, глубина слоя – 0,2 – 0,8 мм.
После нитроцементации следует закалка стали либо непосредственно из печи с подстуживанием до 825 – 800°С, либо (реже) после охлаждения и повторного нагрева. Отпуск – низкий, при температуре 160 – 180°С. Твердость слоя после закалки и отпуска – HRC58 – 64. Структура нитроцементуемого слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость деталей, например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальная прочность нитроцементуемой детали достигается только при оптимальном содержании в поверхностном слое углерода и азота.
Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цементацией она имеет следующие преимущества: более низкая температура процесса и меньшее коробление изделий, выше сопротивление износу и коррозии. Процесс широко применяется на автотракторных заводах и все больше заменяет газовую цементацию. Например, на ВАЗе 95% деталей, проходящих химико-термическую обработку, подвергают нитроцементации.
Борирование – операция насыщения поверхностного слоя стали бором. Она обеспечивает высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Этой операции подвергают любые стали, но углерод и легирующие элементы уменьшают глубину борированного слоя, которая обычно достигает 0,1 – 0,2 мм. В поверхностном слое образуется борид железа, а в подповерхностном – борид железа и альфа-твердый раствор. Твердость поверхности – HV1800 – 2000 (более HRC72).
Борированию подвергают поверхности штампов для горячей штамповки, детали оборудования нефтяной и химической промышленности, например, втулки грязевых нефтяных насосов для повышения их устойчивости против абразивного изнашивания.
3.3.2. Диффузионная металлизация
Насыщение поверхности стали элементами-металлами (алюминием, хромом и т. п.) называется диффузионной металлизацией.
Алитирование – операция насыщения поверхности деталей алюминием для повышения их жаростойкости (окалиностойкости). При нагревании на поверхности детали образуется плотная пленка окиси алюминия, которая защищает основной металл от окисления. Жаростойкость алитированных деталей – до 850 – 900°С. Твердость поверхности после алитирования возрастает до НВ400 – 450, износостойкость слоя низкая. Устранение хрупкости и выравнивание содержания алюминия в поверхностном и подповерхностном слоях достигаются диффузионным отжигом при температуре 950 – 1000°С в течение 3 – 5 ч.
Алитированию чаще подвергают детали из низкоуглеродистых, реже – среднеуглеродистых, легированных сталей и чугунов (клапаны, лопатки турбин, трубы коллекторов, чехлы термопар и т. п.). Увеличение содержания углерода и легирующих элементов в стали понижает скорость диффузии алюминия, что увеличивает продолжительность процесса и снижает производительность. Эту операцию проводят в твердой, жидкой или газообразной среде. Глубина алитированного слоя – 0,15 – 0,45 мм.
Хромирование – операция насыщения поверхностного слоя стали хромом для повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, а у средне- и высокоуглеродистых сталей при этом значительно повышаются твердость и износостойкость. Жаростойкость хромированной стали – до 800°С. Глубина хромированного слоя – 0,05 – 0,20 мм.
Хромируют стали с различным содержанием углерода. С увеличением его содержания диффузия хрома замедляется. При одинаковых режимах (температуре и выдержке) максимальная глубина слоя будет у низкоуглеродистой стали.
Антикоррозионными свойствами во многих средах (морской воде, сернистых и углекислых газах) обладают хромированные слои любых сталей, но более устойчивы они у средне- и высокоуглеродистых, которые хорошо сопротивляются действию 20 %-ной соляной и 30 – 50 %-ной азотной кислоты.
Хромированию подвергают детали паросилового оборудования, пароводяной арматуры, a также детали, работающие на износ в агрессивных средах (клапаны, вентили, втулки и т. п.).
Хромированный слой низкоуглеродистой стали – твердый раствор хрома в альфа-железе – обладает низкой твердостью (НВ180 – 200) и высокой пластичностью. Детали можно сгибать, осаживать, т. е. пластически деформировать.
У средне- и высокоуглеродистых сталей хромированный слой состоит преимущественно из карбидов хрома, поэтому его твердость высокая – до HRC72 (HV1200 – 1300) и превосходит твердость азотированной и цементованной закаленной стали. Слой обладает высокой износоустойчивостью, но и повышенной хрупкостью, что является его основным недостатком.
Силицирование – операция насыщения поверхностного слоя стали кремнием. Проводится для деталей, работающих в агрессивных средах, при высокой температуре и в условиях трения для оборудования нефтяной, химической и бумажной промышленности (детали насосов, арматура, патрубки, винты).
Силицированные детали обладают высокой жаростойкостью (окалиностойкостью) – до 700 – 750°С – и кислотоупорностью, так как образующаяся на поверхности окисная пленка кремния предохраняет металл от дальнейшего окисления и является стойкой к кислотам любой концентрации (азотной, серной, соляной) при их температуре до 100°С.
Несмотря на низкую твердость – НВ270 (HV250 – 300) – силицированный слой плохо обрабатывается режущими инструментами, отличается пористостью, но обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при 170 – 200°С. Силицированные изделия можно деформировать и накатывать на них резьбу.
Наиболее широко применяется газовое силицирование порошковым методом. В рабочее пространство печи помещают детали, засыпают их порошковым ферросилицием или карбидом кремния, нагревают до 950 – 1000°С и пропускают хлор. Образуется хлористый кремний. При контакте с поверхностью детали из него вытесняется атомарный кремний, диффундирующий в сталь. Процесс ведут в течение 2 – 5 ч. Силицированный слой толщиной 0,5 – 1,4 мм представляет собой твердый раствор, содержание кремния в котором до 14 %.
Кроме перечисленных операций химико-термической обработки в машиностроении используются диффузионное цинкование, титанирование, боралитирование, боросилицирование и другие операции многокомпонентного насыщения поверхности деталей несколькими металлами и металлоидами.