Химико-термическая обработка стали.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

Такая обработка применима к деталям, от которых требуется наличие твердой и износоустойчивой поверхности при сохранении вязкой сердцевины, высокой коррозионной стойкости, высокого сопротивления усталости и т.д.

ХТО включает следующие основные взаимосвязанные стадии:

· образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого материала;

· адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

· диффузию – перемещение адсорбированных атомов в поверхность металла.

Цементация – диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка – закалка (780-850 ºС) и низкий отпуск (150-200 ºС). Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3 % углерода. Поверхность детали насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1 %. Цементация осуществляется в твердых, газообразных и жидких средах (карбюризаторах).

При цементации в твердом карбюризаторе используется металлический ящик (Рис.58.). Детали располагают в ящике в шахматном порядке. Вместе с деталями в ящик загружают цилиндрический образец – «свидетель», изготовленный из стали той же марки, из которой изготовлены детали. По «свидетелю» определяют глубину цементированного слоя. В качестве карбюризатора служит смесь древесного угля (60-90 %)и углекислых солей бария ВаСО₃ и натрия NаСО₃. ящики закрывают крышкой, устанавливают в печь и выдерживают при температуре 900-950 ºС.

Рис.58. Схема укладки деталей в цементационный ящик

При нагреве углерод древесного угля соединяется с кислородом воздуха, образуя окись углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода, диффундирующего в деталь: 2СО СО₂ + С _{атомарный}. Двуокись углерода взаимодействует с древесным углем и вновь образует окись углерода: СО₂ + С 2СО и т.д.

Чаще всего карбюризатор имеет состав: 14-22 % ВаСО_3, 4 % Nа₂СО₃ , 2 % СаСО₃, 6 % патоки или крахмала, не более 5 % влаги и остальное – древесный уголь твердых парод с зерном 7-12 мм.

При температуре цементации углекислые соли разлагаются на окиси и углекислый газ: ( ВаСО₃ ВаО + СО₂; Nа₂СО₃ Nа₂О + СО₂). На поверхности цементированной стали образуется заэвтектоидная зона (перлит и сетка цементита(, далее располагается эвтектоидная зона (перлит), и при переходе к сердцевине – переходная доэвтектоидная зона (феррит и перлит). За толщину цементированного слоя принимают сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны (Рис.59.). С повышением температуры и времени выдержки толщина цементированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5 – 2 мм. на каждые 0,1 мм толщины слоя требуется выдержка около 1 часа.

Рис.59.

В единичном производстве используется цементация пастами. При массовом и крупносерийном производствах применяют газовую цементацию в специальных герметически закрытых печах. Газовая цементация позволяет повысить скорость процесса (по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе), повысить производительность труда, осуществить автоматизацию и регулирование процесса насыщения металла углеродом. При газовой цементации атомарный углерод образуется при разложении углеводородов и окиси углерода. Основным углеводородом является метан СН₄, разложение которого идет по реакции СН₄ 2Н2 + С _{атомарный}. Для цементирования слоя глубиной 1мм при газовой цементации требуется 3-4 часа (при цементации в твердом карбюризаторе -10 часав).

Высокую скорость науглероживания (0,12 – 0,15 мм/ч) обеспечивает жидкостная цементация. Она осуществляется в соляной ванне следующего состава: 75-80 % Nа₂СО₃, 10-15 % NaCl и 6-10 % SiC (карборунд). Процесс ведется при температуре 850-860 ºС. Добавление в ванну хлористого аммония NH₄Cl интенсифицирует процесс. Жидкостная цементация создает возможность закалки зацементированных деталей прямо из соляной ванны, позволяет достигнуть равномерности нагрева.

Азотирование.

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом с целью повышения твердости (до 72 НRC), износоустойчивости поверхности, усталостной прочности и коррозионной стойкости деталей.

Основоположником азотирования стали является русский ученый проф. Н.П.Чижевский, который впервые5 исследовал и применил этот процесс.

Азотирование проводят при температурах 500-520º С в течении 8-90 ч. Глубина азотированного слоя - 0,1 – 0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до 200-300º С вместе с печью в потоке аммиака, а затем на воздухе. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твердость азотированного слоя.

Для нагрева деталей служат специальные печи, в которые подается аммиак NH₃. при нагреве аммиак разлагается: 2NH₃ 3H₂ + 2N_{атомарный}. Атомарный азот N поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. В поверхностном слое азот образует химические соединения – нитриды (железа Fe₂N, хрома CrN, молибдена МоN, алюминия АlN), которые придают стали большую твердость (до 1200 НV). Азотирование проводят по одноступенчатому и двухступенчатому режимам. По одноступенчатому режиму азотируют инструмент из быстрорежущей стали (метчики, зенкеры, сверла, фрезы). Стойкость такого инструмента повышается в 2-3 раза. Двухступенчатое азотирование применяют для упрочнения штампов горячей штамповки. На первой ступени процесс ведется при 500-590º С в выдержкой 8-10 ч, на второй ступени – при 570-590º С в течение 18-20 ч. Детали охлаждают вместе с печью до 200º С. При двухступенчатом режиме азотированный слой получается с меньшей хрупкостью.

Азотированию с целью повышения твердости поверхности подвергают зубчатые колеса, гильзы, валы и другие детали из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВАи др. Азотирование – последняя операция в технологическом процессе изготовления деталей.

Антикоррозионное азотирование любых сталей выполняют на небольшую глубину при температурах 600-700º С в течении 1-2 ч. Такое азотирование часто совмещают с закалкой при 770-850º С (стали У8, У10 и др.) с выдержкой 10-15 мин и охлаждением в воде или масле.

Жидкостное азотирование выполняется в расплавленных цианистых солях (40 % KCNO и 60 % NaCN), через которые при 570º С в течении 1-3 ч пропускают кислород. Толщина азотированного слоя – 0,15-0,5 мм. В результате распада солей в сталь диффундирует азот, на поверхности деталей образуется тонкий слой карбонитрида Fe₃(CN) с высоким сопротивлением износу и коррозии. Азотированный слой не склонен к хрупкому разрушению. Твердость азотированного слоя углеродистых сталей – до 350 HV, легированной – до 1100 HV.

Ионное азотирование осуществляется в герметичном контейнере, в котором создается разряженная азотосодержащая атмосфера. Для этой цели применяют чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы. Они играют роль катода. Анодом служит корпус контейнера. Между катодом и анодом включают высокое напряжение (500-1000 В) – происходит ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному полюсу – катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, подаваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода. Возле катода создается высокая напряженность электрического поля. Ионы азота, входя в эту зону высокой напряженности, приобретают большие скорости и, ударяясь о деталь (катод), внедряются в ее поверхность. Высокая кинетическая энергия, которой обладают ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15-30 мин) разогревается до 450-580º С, происходит диффузия азота в глубь металла, т.е. азотирование. При соударении ионов с поверхностью детали ионы железа выбиваются с ее поверхности, за счет чего обеспечивается очистка поверхности от окисных пленок, препятствующий азотированию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых пассивирующая пленка обычными способами удаляется с большим трудом.

Цианирование. Процесс представляет собой одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости.

Результаты цианирования определяются глубиной слоя, а также концентрацией углерода и азота в поверхностном слое и зависят от температуры и продолжительности процесса. Повышение температуры приводит к увеличению содержания углерода в слое, снижение – к росту содержания азота.

В зависимости от температуры различают три вида цианирования: низко-, средне- и высокотемпературное. Низкотемпературное цианирование производиться при 550-570 º С в соляных ваннах, содержащих около 40 % цианистого калия (KCN) и 60 % цианистого натрия (NaCN), через которые пропускают сухой воздух. Насыщение стали азотом в этом случае происходит больше, чем углеродом. Низкотемпературное цианирование применяется с целью повышения твердости, износостойкости и теплостойкости инструмента из быстрорежущей стали, а также деталей из среднеуглеродистых сталей. Продолжительность процесса 0,5-3 ч. Глубина цианированного слоя – 0,0015-0,04 мм . среднетемпературное цианирование выполняется при 820-860º С в расплавленных солях, содержащих 40 % цианистого натрия (NaCN), 40 % хлористого натрия (NaCl), и 20 % кальцинированной соды (Na₂CO₃). Глубина цианированного слоя - 0,15-0,35 мм. детали закаливают прямо из цианистой ванны, а затем отпускают при 180-200º С. Твердость цианированного слоя после термической обработки – 52-62 HRC. Цианированный слой содержит 0,8-1,2 % азота и 0,6-0,7 % углерода.

Высокотемпературное цианирование проводится при 930-960º С в расплавленных солях, содержащих 8 % цианистого натрия, 10 % хлористого натрия и 82 % хлористого бария (BaCl)₂. Продолжительность процесса 1,5-6 ч. Глубина цианированного слоя – 0,15-2 мм. после цианирования детали сначала охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Твердость цианированного слоя после термической обработки – 63-65 HRC. Цианированный слой содержит 0,2-0,3 % азота и 0,8-1,2 % углерода.

Нитроцементацией называется процесс химико-термической обработки, при котором происходит одновременное насыщение поверхностных слоев стальных изделий в газовой среде. Процесс осуществляется в газовой смеси из науглероживающего газа и диссоциированного аммиака при 850-870º С, время выдержки -2-10 ч, толщина получаемого слоя -0,2-1 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску при 160-180º С. Твердость поверхностного слоя -60-62 HRC.

Диффузионная металлизация. Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали металлом с целью изменения его состава и структуры называется диффузионной металлизацией.

Алитирование – процесс насыщения стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости. Алитирование осуществляется в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием при температурах 700-800º С в течении 45-90 мин, а также напылением с последующим диффузионным отжигом при 900-1000º С. Толщина алитированного слоя -0,2-1 мм. Алитированию подвергают детали из низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали, специальной стали и серого чугуна.

Хромирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости , твердости и износостойкости. Для хромирования используются жидкая, твердая и газообразная среды. Процесс ведут при 900-1100º С в течении 5-20 ч. Толщина слоя – 0,1-0,3 мм, твердость хромированного слоя средне- и высокоуглеродистой стали -1200-1300 HV.

Силицирование – процесс диффузионного насыщения стали кремнием, обеспечивающий повышение коррозионной стойкости и жаростойкости поверхностей стальных деталей, а также резкое увеличение жаростойкости молибдена и некоторых других металлов и сплавав. Силицирование проводят в порошкообразных смесях, 30 % окиси алюминия и 1 %хлористого аммония, а также в газовой среде во вращающихся ретортах, в которых происходит разложение хлорида кремния (SiCl₄), при 950-1050º С с выдержкой 2-5 ч. Толщина силицированного слоя – 0,5-1 мм, твердость -200-300 HV.

Борирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором с целью повышения твердости, коррозионной стойкости, теплостойкости и жаростойкости поверхности стальных деталей. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм, твердость 1800-2000 HV. Недостаток борированного слоя – хрупкость.

Методы поверхностной закалки.

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше точки Ас₃ для доэвтектоидной стали и выше точки Ас₁ для заэвтектоидной стали и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Поверхностную закалку применяют для повышения износостойкости деталей и сопротивления усталости при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам благодаря высокой пластичности сердцевины.

Поверхностная закалка при нагреве ТВЧ (током высокой частоты). (Рис.60.)

В настоящее время широко распространена поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты.

Индукционный нагрев металла достигается путем индуцирования вихревых токов. Электромагнитное поле создается индуктором, подключенным через трансформатор напряжения к источнику переменного тока. Процесс нагрева токами высокой частоты осуществляется следующим образом. Изделие, подлежащие нагреву, помещают внутрь спирали из медной трубки, т.е. в индуктор. Через индуктор пропускают ток высокой частоты большой силы, который создает вокруг изделия мощное переменное магнитное поле, в результате чего изделие перемагничивается много раз в секунду, в нем возникают короткозамкнутые вихревые токи. Продолжительность нагрева ТВЧ весьма мала – она исчисляется секундами. Таким образом, изделие нагревается находящимися в нем электрическими токами, роль индуктора – возбудить эти токи. После нагрева изделия до требуемой температуры его охлаждают.

В зависимости от формы, размеров закаливаемых деталей и предъявляемых к ним требований способы высокочастотной закалки разделяются на три группы (Рис.61.).

При закалки небольших деталей применяют способ одновременной закалки. В этом случае вся поверхность закаливаемой детали находится в зоне действия индуктора и нагревается одновременно. По окончании нагрева реле времени отключает индуктор от генератора и включается водяной душ, который одновременно охлаждает всю деталь.

Детали значительной длины закаливают непрерывно-последовательнымспособом. Закаливаемая деталь вращается вокруг вертикальной оси, а также перемещается внутри индуктора сверху вниз, последовательно проходя через зону нагрева и охлаждения закалочного устройства.

Если необходимо закалить отдельные части детали, то применяют способ последовательной закалки. При этом способе закаливаемая поверхность нагревается и охлаждается по частям.

Рис.60. Закалка с индукционным нагревом ТВЧ.

Поверхностная закалка при нагреве пламенем.

( газопламенный нагрев)

При этом способе закалки для нагрева наиболее часто используют ацетиленокислородное пламя с температурой 3100-3200º С.

При пламенной закалке применяют следующие способы (Рис.62.): одновременная закалка – стационарный и вращательный способы; непрерывная закалка – поступательный и комбинированный способы.

Рис.62.

Стационарный и вращательный способы относятся к закалке, выполняемой за две операции: сначала одновременно нагревается вся закаливаемая поверхность, а затем проводится охлаждение всей нагретой поверхности.

Поступательный и комбинированный способы относят к непрерывной закалке, при которой закаливаемая поверхность подвергается закалке непрерывным перемещением через зону нагрева и охлаждения. Толщина закаленного слоя обычно составляет 2-5 мм.

Поверхностная закалка при контактном нагреве.

Этот метод заключается в том, что ток из сети через понижающей трансформатор подводится к медным роликам , которые перекатываются по поверхности изделия и нагревают его. Изделие при этом служит как бы сопротивлением, включенным в цепь. Вслед за роликами движется душевое устройство; в качестве охлаждающей жидкости обычно применяется вода (Рис.63.).

Рис.63.

Поверхностная закалка при нагреве в электролите.

Этот способ заключается в том, что изделие погружают в ванну с электролитом (например, 5-процентным раствором Na₂CO₃), через который пропускают постоянный ток напряжением 220-380 В. ванна служит анодом, а деталь- катодом, вокруг которого образуется плотный слой водорода с очень высоким сопротивлением, вследствие чего водородная рубашка быстро нагревается до температуры 1800-2000º С и в течении нескольких секунд нагревает поверхность детали до температуры выше точки Ас₃. нагретую деталь закаливают в том же электролите после выключения тока или сбрасывают в закалочный бак (Рис.64.).

Рис.64.