Химико-термическая обработка стали: цементация, цианирование, азотирование

Диффузионное насыщение углеродом и азотом. Диффузионное насыщение сталей углеродом и азотом относится к наиболее распространенным в промышленности процессам химико-термической обработки. Эти элементы легко адсорбируются поверхностью стали, образуя с железом твердые растворы внедрения. Благодаря относительно малым атомным радиусам, углерод и азот способны достаточно быстро диффундировать вглубь металла, формируя упрочненный поверхностный слой с градиентным изменением состава и свойств.

Цементация стали: цели и применение. Цементация — процесс диффузионного насыщения углеродом, направленный на придание поверхностным слоям детали высокой твердости и износостойкости при сохранении вязкой сердцевины. Данная обработка значительно повышает предел выносливости изделий. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок, такие как шестерни и втулки. Процесс может осуществляться в твердых или газовых карбюризаторах.

Технология цементации в твердой и газовой среде.При цементации в твердом карбюризаторе изделия помещают в герметичные ящики, пересыпая смесью древесного угля с солями-активаторами (20–25% Na₂CO₃ или BaCO₃). Эти добавки интенсифицируют образование атомарного углерода. Газовая цементация использует в качестве карбюризатора природный газ, контролируемые атмосферы или жидкие углеводороды. Газовый метод применяется в крупносерийном производстве, а твердая цементация — в мелкосерийном.

Режимы и результаты цементации.Цементацию проводят при температурах 920–950 °C для достижения глубины слоя 0,5–2,0 мм. Это длительный процесс: в твердом карбюризаторе глубина 0,1 мм достигается за 1 час, а при газовой цементации скорость процесса в 2,5–3 раза выше. Концентрация углерода в поверхностном слое достигает 0,8–1,0%. После цементации проводится неполная закалка и низкий отпуск, что обеспечивает структуру мартенсита отпуска с твердостью HRC 60–62 на поверхности и вязкой сердцевиной.

Цианирование и нитроцементация стали. Цианирование (в расплавленных солях) и нитроцементация (в газовой среде) — процессы одновременного насыщения поверхности углеродом и азотом. Основное назначение — повышение твердости, износостойкости и предела выносливости. Обработке подвергаются конструкционные стали с 0,2–0,45% C и инструментальные быстрорежущие стали. В зависимости от температурного режима различают низко-, средне- и высокотемпературное цианирование.

Режимы и свойства после цианирования. Среднетемпературное цианирование (820–860 °C) применяют для улучшаемых сталей. После обработки слой содержит 0,6–0,7% C и 0,5–0,8% N, а его твердость после закалки и отпуска составляет HRC 65–67. Высокотемпературное цианирование (930–960 °C) используют для цементуемых сталей, получая слой глубиной до 1,5 мм с твердостью HRC 58–62. Недостатком является токсичность цианистых солей и высокая стоимость.

Преимущества и особенности нитроцементации. Нитроцементацию проводят при 850–870 °C в течение 2–10 часов для получения слоя глубиной 0,25–1 мм. После обработки изделия подвергают закалке и низкому отпуску, достигая твердости HRC 60–62. Процесс обеспечивает более низкую температуру нагрева по сравнению с цементацией, что снижает деформации, а также дает повышенную коррозионную стойкость. Структура слоя состоит из азотистого мартенсита.

Азотирование стали: процесс и свойства. Азотирование — процесс насыщения поверхности азотом в диссоциированном аммиаке при температурах 500–600 °C. Это длительная операция (25–90 часов), обеспечивающая исключительную твердость (HV 1000–1200), высокий предел выносливости и коррозионную стойкость. Твердость слоя глубиной 0,2–0,6 мм зависит от содержания легирующих элементов, образующих стабильные нитриды.

Структура и применение азотированного слоя.Структура азотированного слоя включает тонкий поверхностный слой ε-фазы (нитрид железа), зону азотистого эвтектоида и сердцевину с структурой сорбита отпуска. Азотирование создает значительные сжимающие остаточные напряжения (600–800 МПа), повышающие усталостную прочность. Этот процесс является окончательной обработкой для легированных сталей, прошедших предварительное улучшение (закалку с высоким отпуском).

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г., Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г., Третьякова Н.В., и др.

Источник: Основы производства металлов.

Данные публикации будут полезны студентам технических специальностей, начинающим специалистам в области металлургии и машиностроения, а также всем, кто интересуется основами промышленного производства.