Общая характеристика процессов ХТО стали

Процессы ХТО за­ключаются в сочетании термического и химического воз­действия в целях изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. При ХТО происходит насы­щение поверхности стали различными химическими элементами за счет диффузии, проникновения в кристалли­ческую решетку железа атомов этих элементов. Этот про­цесс происходит при нагреве стальных деталей в газовой, жидкой или твердой среде, богатой этими элементами. Наиболее распространены следующие виды ХТО: цемен­тация, азотирование, цианирование, диффузионная ме­таллизация и т. д.

При ХТО достигается значительное повышение твер­дости и износостойкости поверхности деталей при сохра­нении вязкой сердцевины. При этом ХТО уступает по­верхностной закалке в производительности, но имеет перед ней ряд преимуществ.

1. ХТО можно подвер­гать изделия весьма сложной формы, получая по всей поверхности упрочненный слой одинаковой толщины.

2. Так как при ХТО изменяется не только строение (как при поверхностной закалке), но и состав поверхностного слоя, различие между свойствами поверхности и сердцевины более значительно.

3. ХТО по­зволяет придать поверхности дополнительно коррозион­ную стойкость и жаростойкость.

ХТО включает три основных взаимосвязанных про­цесса:

диссоциацию, заключающуюся в распаде молекул и получении насыщающего элемента в химически актив­ном атомарном состоянии. Например:

(1.11)

адсорбцию,которая состоит в поглощении поверхно­стью металла активных атомов насыщающего элемента. Этот процесс возможен только в том случае, когда насы­щающий элемент растворяется в основном металле либо образует с ним химические соединения;

диффузию, состоящую в проникновении насыщающе­го элемента вглубь основного металла. Глубина проник­новения элемента увеличивается с повышением температуры и увеличением продолжительности процесса, а так­же зависит от химического состава стали. В результате образуется диффузионный слой, который отличается от исходного металла по химическому составу, структуре и свойствам. Концентрация насыщающего элемента в диф­фузионном слое уменьшается по мере удаления от поверхности детали.

Цементация стали

Цементация– это процесс насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Цементация производит­ся путем нагрева стальных деталей при 900 - 950 °С без доступа воздуха в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают два основных вида цемента­ции – газовую и твердую. Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН₄ и оксид углерода СО. Твер­дая цементация проводится в стальных ящиках, куда укла­дываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором служит порошок древесного угля с добавкой солей Na₂CO₃ или ВаСО₃. При газовой цементации газ подается непосредственно в рабочее пространство печи, а при твер­дой – ящики помещаются в печь. Газовая цементация име­ет целый ряд преимуществ перед твердой:

· более высокая производительность процесса, так как не тратится время на прогрев ящиков с низкотеплопроводным карбюризатором;

· можно получить заданную концентрацию углерода в поверхностном слое;

· имеется возможность полной механи­зации и автоматизации процесса;

· упрощается термообра­ботка после цементации.

Поэтому газовая цементация яв­ляется основным процессом цементации в массовом производстве и только для единичного и мелкосерийно­го производства используется твердая цементация.

Цементации подвергают углеродистые и низколегиро­ванные стали с низким содержанием углерода (0,1-0,2 %). В результате на поверхности концентрация углерода воз­растает до 0,8-1,1 % . Толщина цементованного слоя со­ставляет 1 - 2,5 мм. Концентрация углерода убывает по толщине слоя по мере удаления от поверхности. Поэто­му в структуре цементованного слоя можно выделить три зоны:

· заэвтектоидную, состоящую из перлита и располо­женного по границам зерен вторичного цементита;

· эвтектоидную зону состоящую из перлита;

· доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита. При этом количество феррита по мере приближения к сердцевине возрастает.

Цементацией достигается только выгодное распреде­ление углерода по сечению детали. Высокая твердость и износостойкость поверхности получается после закалки, которая обязательно проводится после цементации. Тер­мообработка после цементации нужна не только для повышения твердости поверхностного слоя, но и для умень­шения величины зерна, так как при цементации (из-за длительной выдержки при высокой температуре) сталь становится крупнозернистой. После газовой цементации часто применяется закалка без повторного нагрева, непо­средственно из цементационной печи. В этом случае из­мельчения зерна не происходит, но это самый экономи­чески выгодный режим.

Если надо исправить крупнозернистую структуру охлаждение после цементации производится медленнее, после чего следует закалка с повторным нагревом выше А_С3. Для особо ответственных деталей производится двой­ная закалка: первая выше А_С3 - для сердцевины, а вторая выше А_С1 , — для поверхностного слоя. После закалки по­верхностный слой имеет мартенситную структуру. Затем во всех случаях следует низкий отпуск. После этого твер­дость поверхности составляет HRC 58-62.

Азотирование стали

Азотированием называется процесс насыщения по­верхности стали азотом. При этом повышаются не толь­ко твердость и износостойкость, но и коррозионная стой­кость. Проводится азотирование при температуре 500-600°С в среде аммиака NH₃ в течение длительного времени (до 60 ч.) Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного атомарного азота, который и взаимодействует с металлом. Твердость стали повышает­ся за счет образования нитридов легирующих элементов. Поэтому азотированию для повышения твердости под­вергают только легированные стали. Наиболее сильно повышают твердость такие легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина азотиро­ванного слоя составляет 0,3-0,6 мм, твердость поверхностного слоя по Виккерсу доходит до HV 1200 (при це­ментации HV 900). Для получения такой высокой твердости азотируют легированную сталь, содержащую 0,35 - 0,42 % С, 1,35 - 1,65 % Сг, 0,7 -1,1 % Аl и 0,15 - 0,25 % Мо (марка 38Х2МЮА). При применении других легирован­ных сталей твердость поверхностного слоя будет меньше. Высокая твердость азотированного слоя сохраняется при нагреве до температур 400 - 500 °С, тогда как твердость мартенситного цементованного слоя сохраняется лишь до 200 - 250 °С. Для повышения коррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.

Перед азотированием для получения высокой прочности и вязкости сердцевины проводится предварительная тер­мическая обработка деталей, которая состоит из закалки и высокого отпуска. После такой обработки сталь имеет структуру сорбита. Далее следует механическая обработка деталей. Если на поверхности деталей имеются участки, не подлежащие азотированию, на них наносится тонкий за­щитный слой олова или жидкого стекла. После азотирова­ния производится окончательное шлифование деталей. К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести:

1. отсутствие необходимости в дополнитель­ной термообработке,

2. более высокую твердость и износо­стойкость,

3. высокую коррозионную стойкость поверхнос­ти.

Недостатками азотирования являются:

1. низкая скорость процесса;

2. не­обходимость применения дорогих легированных сталей.

Длительность азотирования можно несколько сократить, используя двухступенчатый процесс. Сначала азотирова­ние производится при 500 - 520 ⁰С, а после этого при 540 - 560 ⁰С. Повышение температуры ускоряет диффузию, уменьшая время образования слоя необходимой толщины. Твердость поверхности при этом не снижается.

В последнее время получило применение ионное азо­тирование, которое производится в разреженной азотосодержащей атмосфере при подключении обрабатывае­мых деталей к отрицательному электроду — катоду. Ано­дом является контейнер установки. Между деталью и контейнером возбуждается тлеющий разряд, ионы газа бомбардируют поверхность детали, нагревая ее до темпе­ратуры насыщения. Ионное азотирование

· в 2-3 раза со­кращает продолжительность процесса,

· позволяет полу­чить поверхностный слой регулируемого состава,

· более экономично.

Цианирование

Цианирование– это процесс од­новременного насыщения поверхности стали углеродом и азотом. Жидкостное цианирование проводится в распла­вах цианистых солей NaCN или KCN. Газовое цианирова­ние (нитроцементация) проводится в газовой среде, содер­жащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃. Углерод и азот ускоряют процесс диффузии друг друга. Различают низ­котемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500-600 °С. При этом преобладает насыще­ние азотом. Глубина цианированного слоя составляет 0,2-0,5 мм, твердость поверхности – HV 1000. Применяется низкотемпературное цианирование, главным образом для обработки инструмента из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном цианировании температура составляет 800 - 950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина поверхностного слоя составляет 0,6 - 2,0 мм. После высокотемпературного цианирования следует закалка с низким отпуском. Твердость после термообработки со­ставляет HRC 60.

По сравнению с цементацией цианирование дает бо­лее высокую твердость и износостойкость. Повышается также коррозионная стойкость. Процессы цианирования более производительны, обеспечивают меньшую дефор­мацию и коробление деталей. Серьезными недостатками жидкостного цианирования является ядовитость циани­стых солей и высокая стоимость процесса.