Химико-термическая обработка стали.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. В отличие от термической обработки химико-термическая обработка меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять его свойства. При химико-термической обработке в отличие от термической обработки изменяется не только строение, но и химический состав поверхностного слоя.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий: 1) выделение диффундирующего элемента в атомарном со­стоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2) контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (абсорбция); 3) диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Для стальных деталей применяют насыщение углеродом (цементация), азотом (азотирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), алюминием (алитирование).

7.1. Цементация.

Это процесс насыщения поверхностного слоя углеродом с целью получения твердой износостойкой поверхности и мягкой, вязкой сердцевины.

Вязкая сердцевина хорошо сопротивляется ударному и знакопеременному нагружению. Цементацию применяют для деталей типа: зубчатые колеса, валы, пальцы, кулачки, червяки и др.

Для цементации применяют широко распространенные недефицитные, дешевые низкоуглеродистые стали с 0,15÷0,25%С не поддающееся закалке.

После цементации такие стали идут взамен дорогостоящих, дефицитных, легированных.

Исходную среду для цементации называют карбюризатором. В основном применяют два способа цементации:

• в твердом карбюризаторе;

• в газовой среде.

Оба процесса идут в газовой фазе. Твердый карбюризатор состоит из древесного угля с добавкой 20-25% углекислого бария BaCO₃ и 3-5% Na₂CO₃. BaCO₃ – для интенсификации процесса цементации. Na₂CO₃ (сода) – для предотвращения спекания карбюризатора. Детали укладывают в стальной ящик на расстоянии не менее 25 мм друг от друга и стенок. Ящик помещают в печь с температурой 910-930°С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом воздуха в контейнере с образованием оксида углерода СО:

2С+О₂→2СО

Цементация осуществляется газом, образующемся в цементационном ящике. Кроме того оксид углерода образуется в результате разложения солей и реакции с углем:

BaCO₃→BaO+CO₂

CO₂+C→2CO

На поверхности детали идет процесс цементации за счет реакции диссоциации и образования атомарного углерода:

2СО↔СО₂+С_ат

В результате С_ат адсорбируется поверхностью детали, находящейся в аустенитном состоянии, а СО₂ взаимодействуя с углем, образует новые порции СО:

СО₂+С→2СО

При газовой цементации в качестве карбюризатора используется разбавленный природный газ, состоящий почти полностью из метана

СН₄→2Н₂+С_ат

Газы карбюризатора диссоциируют с выделением атомарного С. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода или метана:

2СО→СО₂+С_ат или

СН₄→2Н₂+С_ат;

С_ат→γFe=аустенит γFe (С)

Преимущества газовой цементации:

• сокращение длительности в 3-4 раза;

• легкая регулировка (механизация, автоматизация);

• упрощение термической обработки.

Структура цементованного слоя

Степень цементации – характеризует среднее содержание углерода в поверхностном слое, 0,8÷1,0%С. Толщина цементованного слоя колеблется в пределах 1÷3,0 мм, время выдержки 6÷12 часов.

После цементации детали подвергают окончательной термической обработке, состоящей из закалки и низкого отпуска.

Окончательная структура:

• на поверхности М+Ц_зерн (HRC=60-65);

• в сердцевине Ф+П.

Нагрев до температуры цементации 7÷9 мин на каждый сантиметр линейного размера ящика. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400÷500°С и затем раскрывают.

1) – древесный уголь +40%BaCO₃;

2) – древесный уголь.

Задача цементации – получить высокую НВ и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Последующая закалка с получением мартенсита на поверхности и с сохранением низкой твердости и высокой вязкости сердцевины, является операцией, окончательно формирующей свойства цементованной детали.

7.1.1. Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных сталей.

Термической обработкой можно исправить структуру путем измельчения зерна сердцевины и цементованного слоя, увеличиваеющихся во время длительной выдержки при цементации; получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины, устранить цементитную сетку в цементованном слое.

После газовой цементации закаливают без повторного нагрева, непосредственно из цементованной печи после подстуживания изделий до 840÷860°С. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины. Используют для наследственно мелкозернистой стали.

После цементации в твердом карбюризаторе термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска (рис. 49). Первая – 880-900°С для исправления структуры сердцевины, т.к. получим из феррито-перлитной структуры мелкозернистый аустенит. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь не образуется при быстром охлаждении. Вторая закалка – 760-780°С – для устранения перегрева цементованного слоя (измельчение зерна) и придание ему высокой твердости (поверхностный слой – заэвтектоидная сталь).

Структура после закалки мартенсит и небольшое количество цементита. Низкий отпуск переводит М_зак в М_отп. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC 60-65, для легированных HRC 58-61 (больше А_ост).

Термическая обработка после цементации в твердом карбюризаторе состоит ,ольше ,jkmit х истой стали составляет (измельчение зерна) ся при быстром охлажднии.А. чи послеаетсй свойстватью из метана цириз двух последовательных закалок и низкого отпуска.

Рис. 49. Схема режимов термообработки после цементации.

III – для снятия напряжений, возникающих при закалке и для придания закаленному высокоуглеродистому слою некоторой пластичности.

7.2. Азотирование стали.

Азотированием называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом при нагреве стали в аммиаке NH₃. Азотирование применяется для повышения износостойкости, сопротивление коррозии и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валки и др.).

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску на сорбит и чистовой обработке. После азотирования детали никакой термической обработке не подвергаются, а только шлифуются или полируются.

Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесение тонкого слоя олова (Sn) или жидкого стекла (0,01÷0,015мм). Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой, непроницаемой для азота пленки.

Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше его толщина. Снижение твердости связано с коагуляцией нитридов легирующих элементов.

Азотированию подвергаются среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Cr, Mo, Al, V, Ti. Например сталь 38Х2МЮА.

Это связано с тем, что легирующие элементы входят во взаимодействие с атомарным азотом, образуя твердые частицы на поверхности - нитриды Cr₂N; Mo₂N; AlN; VN, которые и увеличивают твердость поверхности.

Технология:Обычное азотирование проводят при 500¸600°С, через который пропускают аммиак, который диссоциирует по реакции: 2NH₃®2N_ат+3H₂. Образовавшийся N_ат диффундирует в металл.

Процесс азотирования весьма длительная операция. Так для получения толщины азотируемого слоя 0,5 мм время выдержки при 500¸520°С равно 55 часов. Обычно при азотировании желательно иметь слой 0,3¸0,6 мм. По сравнению с цементацией азотируемый слой более твердый (HRC 72). При азотировании детали работают до 550¸600°С, а при цементации максимум 220°С. Структура: поверхность – нитриды и сорбит, сердцевина – сорбит. Недостаток – длительность процесса.

Строение цианированного слоя аналогично цементуемому, но он обладает более высокой износостойкостью и пределом выносливости (s_-1).

7.3. Цианирование сталей.

Под цианирование понимают процесс одновременного насыщение стали азотом и углеродом.

Цианирование проводят в твердых, жидких и газообразных (нитроцементация) средах. Производительность цианирования и качество поверхности выше, чем при цементации.

Различают:

- низкотемпературное цианирование температура 570°С – карбонитрация (тенифер-процесс)

- среднетемпературное цианирование температура 820¸860°С

- высокотемпературное цианирование температура 930¸950°С

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхности стали, содержащей (0,2% - 0,4% С) азотом и углеродом из газовой фазы.

Преимущества:

1. азот способствует диффузии углерода, поэтому температура 850° С и получается такое же науглероживание, как при цементации.
2. уменьшается рост зерна и закалку можно проводить сразу после нитроцементации и давать низкий отпуск (160¸180°С) HRC 58…64. Средой является смесь цементующего газа (природный +3¸5% NH₃). Время выдержки – 4…10 часов. Толщина слоя 0,2¸0,8 мм.

В поверхностном слое образуется карбонитриды, этот слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Структура нитроцементованого слоя: М+А_ост+карбонитриды. Нитроцементация используется для упрочнения поверхностей не шлифуемых деталей на автотракторных заводах.

Одновременное насыщение азотом и углеродом проводят при температуре 820°¸860° в расплавленных слоях, содержащих цианистый Na.

Состав ванны:

20¸25% NaCN, 25¸50% NaCl, 25¸50% Na₂CO₃ за 1 час выдержки получают слой толщиной 0,15¸0,3 мм который после закалки из ванны и отпуска при 200°С дает HRC 58¸62. Длительность процесса 30¸90 мин.

Нейтральные соли NaCl и Na₂CO₃ добавляют для повышения температуры плавления, что снижает испарение дорогих и ядовитых солей. Недостаток цианирования - ядовитость.

Применение: для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбонитрацию.

Режимы: температура расплава 530°¸570°С, время выдержки (t) – 5..30 мин.

Преимущества: не ядовитость, сокращение времени, малая деформация и коробление.

7.4. Диффузионная металлизация.

Для многих деталей теплоэнергетики требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислению в рабочей среде при высоких температурах.

Алитирование – это процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость, до (900°С), так как на поверхности изделия образуется плотная пленка Al₂O₃, предохраняющая металл от окисления. Кроме того алитируемый слой обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и морской воде.

Концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%, толщина слоя 0,2¸1 мм, твердость HV 500, износостойкость – низкая. Применение: клапаны, разливочные ковши, чехлы термопар, детали газогенераторных машин.

Хромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом. Хромирование увеличивает стойкость против газовой коррозии (окалиностойкость) до 800°С, коррозионную стойкость: в воде, морской воде и азотной кислоте, твердость и износостойкость HV 1200¸1300.

Для деталей, работающих в агрессивных средах хромированный слой должен иметь толщину 0,1¸0,15 мм, для деталей, работающих в условиях сильного износа, 0,03 мм.

Хромирование применяют для деталей паросилового оборудования, клапанов, вентилей, патрубков.

Силицирование – насыщение поверхности стали кремнием с целью придания стали высокой коррозионостойкости в HCl, HNO₃, H₂SO₄ и в морской воде.

Процесс ведут при 900¸1000°С в течении 2¸5 часов, глубина слоя 0,3 – 1,0 мм, содержание S_i=14%, образующаяся пленка SiO₂ предохраняет от дальнейшего окисления. Силицированный слой отличается повышенной пористостью. Несмотря на низкую тведость (HV 200-300), силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при 200°С.

Вопросы для повторения раздела.

1. Чем отличается химико-термическая обработка от термической обработки стали?

2. Какова цель цементации и азотирования?

3. Укажите структуру и температуры эксплуатации деталей после цементации и азотирования.

4. При каких температурах проводится цементация?

5. Какая термообработка и зачем проводится после цементации?

6. Что понимают под диффузионной металлизацией?