ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Целью химико-термической обработки является получе­ние поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышен­ными твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или кор­розионной стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств эле­менты: углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др. Эти элементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда очи выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизиро­ванный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и об­разует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее рас­пространенными видами химико-термической обработки стали яв­ляются цементация, азотирование, цианирование.

11.1.Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цементации под­вергают такие изделия, которые работают одновременно на истира­ние и удар.

Существуют два вида цементации: цементация твердым карбю­ризатором и газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором применяют древес­ный уголь в смеси с углекислыми солями — карбонатами (ВаСО₃, Na₂CO₃, К₂СОз, СаСО₃ и др.).

Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легиро­ванной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации.

Для цементации заготовки помещают в стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5—10 ч при температуре 930—950 °С.

При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается по реакции

ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО.

В результате образуется оксид углерода, который на поверх­ности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его мас­совое содержание в аустените, далее по достижении предела раство­римости образуется цементит

3Fe + С → Fe₃C.

Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от карбю­ризатора нанесением на них обмазок или омедняют электролитиче­ским способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5—3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95— 1,1 % С.

При газовой цементации в качестве карбюризатора применяют различные газы и газовые смеси (природный, светильный, генератор­ный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углево­дороды, из которых особое значение имеет метан СН₄. Газовую це­ментацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900— 950 °С и непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые капля­ми подаются в печь и, испаряясь, образуют газы-карбюризаторы.

Преимуществом газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются двух - трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процес­сом. Газовая цементация применяется очень широко.

Цементированные заготовки подвергают однократной или двой­ной закалке и низкому отпуску. Однократную закалку с нагревом до 820—850 °С применяют в большинстве случаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительная вы­держка в горячей печи при цементации не сопровождается боль­шим ростом зерен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840— 860 °С.

Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую ударную вязкость и твердость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят: 1) закалку или нормализа­цию с нагревом до температуры 880—900 °С для исправления струк­туры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760— 780 °С для измельчения структуры цементированного слоя и при­дания ему высокой твердости (до 60—64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкому отпуску (150— 170°С).

Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовок из такой стали независимо от ско­рости охлаждения имеет структуру перлит + феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую кри­тическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

11.2. Азотирование. Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака

2NH₃ → 2N + ЗН₂.

Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, титан, вольфрам, ванадий, молибден или хром (например, сталь марок 35ХМЮА, 35ХЮА и др.).

Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500— 600 °С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными ле­-

гирующими элементами и железом образует очень твердые химиче­ские соединения — нитриды (AlN, MoN, Fe₃N и др.).

Азотирование на глубину 0,2—0,5 мм продолжается 25—60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100—1200 по Виккерсу, вместо 800—900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и мень­шая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для де­талей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).

Азотирование приводит к некоторому увеличению размеров за­готовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.

11.3. Цианирование. Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Жидкостное цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей [NaCH, KCH, Са(СN)₂ и др.] при темпера­туре, достаточной для разложения их с выделением активных ато­мов С и N.

Низкотемпературное (550—600 °С) цианирование применяют, главным образом, для инструментов из быстрорежущей стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавах чистых циа­нистых солей. Высокотемпературное (800—850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20—40 %-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями (NaCl, Na₂CO₃ и др.) для повышения температуры плавления ванны. Продолжительность жид­костного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2—0,5 мм.

После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различ­ных изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при цементации, а износо - и коррозионная стойкость более высо­кие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизи­рованные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпе­ратурное.

При низкотемпературном (500—700 °С) газовом цианировании в сталь преимущественно диффундирует азот (с образованием ни-­

тридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это цианирование, так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для обработки инструментов из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном газовом цианировании (800—850°С) в сталь диффундирует значительное количество углерода с образо­ванием аустенита. После высокотемпературного цианирования заго­товки закаливают.

При газовом цианировании, называемом также нитроцементацией, отпадает необходимость в применении ядовитых солей и, кроме того, имеется возможность обработки более крупных деталей.

11.4. Диффузионная металлизация. Наиболее распространенными ви­дами диффузионной металлизации являются алитирование, хромиро­вание, силицирование.

Алитирование представляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Его применяют преимущественно для деталей, работающих при высоких температурах (колосников, дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 1000 °С) повышается жаростойкость стали.

Для алитирования алюминий сначала наносят на заготовку рас­пылением жидкой струи сжатым воздухом, затем нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузион­ный отжиг заготовок при температуре 920°С в течение 3 ч. В про­цессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием на глубину в среднем 0,5 мм.

Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кисло­той, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl. Хромированию подвергаются в основном стали с массовым содержа­нием углерода не более 0,2%. Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплю­щиванию, прокатке и т. п. Хромированные детали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах (азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали из де­фицитной высокохромовой стали.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных за­готовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против кор­розии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кисло-

тах, применяется для деталей, используемых в химической промышлен­ности.

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в α-железе. Существует силицирование в порошкообразных смесях ферросилиция, а также газовое силицирование в среде хло­рида кремния SiCl₄.

Резюме

Химико-термическая обработка — нагрев сплава в соответству­ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по­верхностных слоев.

Наиболее рас­пространенными видами химико-термической обработки стали яв­ляются цементация, азотирование, цианирование.

Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цементации под­вергают такие изделия, которые работают одновременно на истира­ние и удар. Существуют два вида цементации: цементация твердым карбю­ризатором и газовая цементация.

Азотирование. Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака.

Цианирование. Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Диффузионная металлизация. Наиболее распространенными ви­дами диффузионной металлизации являются алитирование, хромиро­вание, силицирование.

Алитирование представляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кисло­той, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных за­готовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против кор­розии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах.

Вопросы для повторения

1. Что такое химико-термическая обработка и когда целесообразно ее проведение?

2. Перечислите виды ХТО.

3. Как и для чего приводится цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизации?