Химико-термическая обработка стали.

Термическую обработку, при которой изменяется не только структура, но и химический состав поверхностных слоев металла, называют химико-термической обработкой.

Сущность химико-термической обработки стали состоит в искусственном изменении химического состава ее поверхностных слоев. Цель такой обработки - получение высокой поверхностной твердости и износостойкости стальных деталей.

Химический состав поверхностных слоев стали изменяется благодаря проникновению в них различных элементов. Изменение химического состава вызывает изменение структуры и свойств поверхностного слоя.

Химико-термическая обработка осуществляется помещением стали в среду, в которой происходит насыщение ее поверхностного слоя. Химико-термическая обработка стали складывается из трех этапов: диссоциации, адсорбции и диффузии.

Диссоциация происходит в газовой среде и состоит из разложения молекул тех или иных соединений и образования активных атомов

Адсорбция - это поглощение поверхностью стали свободных, главным образом активных, атомов из газовой смеси или раствора.

Диффузия заключается в проникновении адсорбированных атомов с поверхности металла в глубь его. Она происходит в результате теплового движения атомов, без воздействия внешних сил. Диффузия характеризуется коэффициентом диффузии D, который численно равен количеству вещества, продиффундировавшему через площадку в 1 см², в течение 1 сек. при перепаде концентраций по обе стороны площадки, равном единице.

Коэффициент диффузии D в основном зависит от температуры и энергии активации, т. е. энергии, которая затрачивается для перевода атома в кристаллической решетке из одного положения в другое.

От правильного сочетания указанных этапов химико-термической обработки зависит получение качественного слоя.

Различают следующие виды химико-термической обработки.

Цементация. Процесс насыщения стальных деталей углеродом называют цементацией.

Основная цель цементации - это получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при сохранении мягкой и вязкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости.

Высокая твердость стали HRC 56-62 достигается насыщением поверхностного слоя углеродом эвтектойдной или заэвтектойдной концентрации с последующей закалкой, Вязкость сердцевины в цементируемых деталях обеспечивается применением конструкционных сталей, содержащих небольшое количество углерода, обычно оно равно 0,08-0,30%.

По способу производства цементация разделяется на твердую, газовую и жидкую.

Твердая цементация, или цементация в твердом карбюризаторе, является наиболее старым и распространенным процессом химико-термической обработки. Сущность его состоит в следующем. Стальные детали, очищенные от эмульсии и масла, укладывают в железные ящики и пересыпают твердым карбюризатором, состоящим из порошковой смеси березового угля и углекислых солей бария или натрия. Детали укладываются таким образом, чтобы расстояния между ними и стенками ящика были 20-25 мм. Ящики закрывают крышкой, в которую вставляют два «свидетеля» - прутки диаметром 6-8 мм и длиной 250 мм, изготовленные из стали марки 10. Для герметичности края ящиков промазывают огнеупорной глиной. Только после этого ящики с деталями помещают в нагревательную печь для цементации, которая ведется при 850-920°. При нагреве в ящике происходит соединение углерода карбюризатора с кислородом воздуха. Из-за недостатка кислорода в цементационном ящике образуется окись углерода

2С +О→2СО.

В присутствии стальных деталей окись углерода разлагается на углекислый газ и атомарный углерод:

2СО→СО₂ + С_ат.

Атомарный углерод поглощается поверхностью стальных деталей, находящихся при этой температуре в аустенитном состоянии. В результате образуется цементованный слой.

При цементации твердые карбюризаторы обычно используют неоднократно. Для этого берут отработанный карбюризатор и к нему добавляют 20-30% свежего карбюризатора.

Цементации подвергаются зубчатые колеса, валы, шпиндели, поршневые пальцы, толкатели клапана, лемехи и другие ответственные детали машин.

Глубина цементованного слоя при 850-920°С увеличивается пропорционально времени выдержки. Для получения цементованного слоя глубиной 0,1 мм необходима выдержка в течение часа. Для большинства автомобильных и тракторных деталей глубина цементованного слоя принимается равной 0,6-2,0 мм. Детали, цементованные в твердом карбюризаторе, проходят двойную закалку: первую при температуре 840-850°С для измельчения зерна в сердцевине деталей и вторую при 780-800°С для получения высокой твердости на поверхности деталей.

Недостатками твердой цементации являются значительная трудоемкость, невысокая производительность и обилие угольной пыли и грязи. Однако этот процесс находит еще значительное применение, так как он не требует специального оборудования и прост в исполнении.

Газовая цементация заключается в насыщении поверхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Газовую цементацию широко применяют в машиностроении, так как она является прогрессивным и экономичным процессом. Этот процесс позволяет регулировать содержание углерода в поверхностном слое цементуемых деталей, меха­низировать и автоматизировать оборудование, а также производить полный цикл термической обработки в одном агрегате - цементацию, закалку, промывку и отпуск. Кроме того, себестоимость продукции и капитальные затраты при газовой цементации ниже, а условия труда рабочих-термистов лучше, чем при цементации в твердом карбюризаторе. При газовой цементации детали науглероживаются в 2 - 3 раза быстрее, чем при твердой цементации, а цементованный слой получается более однородным.

Газовая цементация производится в механизированных методических и шахтных печах, а также в безмуфельных агрегатах.

В качестве карбюризаторов для газовой цементации применяют углеродосодержащие естественные и искусственные газы и газовые смеси, содержащие метан СН₄ и окись углерода СО. Можно использовать также жидкие карбюризаторы: бензол, пиробензол, осветительный керосин, синтин (продукт синтеза окиси углерода) и сжиженный природный газ.

Наиболее перспективным газовым карбюризатором является эндотермическая атмосфера, состоящая, как указывалось, из эндотермического газа (20°/о окиси углерода, 40% водорода и 40% азота) с добавлением к нему 1-5%-ного метана для усиления цементирующих свойств. В такой атмосфере можно опытным путем или при помощи приборов регулировать содержание науглероживающего газа. Это позволяет предупреждать образование сажи и обеспечи­вать необходимую скорость науглероживания.

Химический процесс газовой цементации протекает по двум реакциям: основной, когда метан под действием температуры цементации  (920-840°) распадается на атомарный углерод и водород: СН₄→C_aт+2H₂ и сопутствующей, когда 2СО→С_ат +СО₂. Атомарный углерод, как и при твердой цементации, диффундирует в поверхность стальной детали, в результате чего получается цементованный науглероженный слой. Этот слой при гравлении реактивом окрашивается в темный цвет.

Выбор режима (температуры и времени выдержки) цементации определяется заданной глубиной цементованного слоя с повышением температуры науглероживание резко возрастает. Однако повышение температуры ведет Время нагрева мин не только к увеличению науглероживания, но и к росту поэтому в практике производства цементацию производят при 920-930°.

После цементации детали подвергают закалке и отпуску. Детали, цементованные в газовой атмосфере, подвергаются одинарной закалке непосредственно из цементационной печи после предварительного подстуживания с температуры цементации 520-930° до 800-840° С.

После закалки и отпуска структура цементованного слоя для стали 25ХГТ состоит из мелкоигольчатого мартенсита, незначительного количества остаточного аустенита и мелких карбидов (рис. 130); твердость поверхности HRC 56-62. Структура сердцевины - троостит или троостосорбит, ее твердость HRC 28-32.

Глубина цементованного слоя проверяется на глаз по излому закаленного «свидетеля», прошедшего цементацию вместе с деталями, или металлографическим способом в цеховой лаборатории. За глубину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до исходной структуры, т. е. до появления феррита в отожженном и протравленном микрошлифе, сделанном из «свидетеля» или детали.

Состав и науглероживающая способность газовой атмосферы контролируются и регулируются в процессе цементации по пробе газа, взятой из печи для химического анализа или по точке росы атмосферы. Точкой росы называют температуру, при которой газ определенного состава, охлаждаясь при постоянном влагосодержании, становится насыщенным. Для измерения точки росы и автоматического регулирования подачи цементуемого газа (эндотермической атмосферы) в муфель цементационной печи или агрегата, в зависимости от требуемого содержания углерода в цементованном слое, в настоящее время применяют специальные приборы «Карботроль».

Недостаточная стойкость жароупорных муфелей и peтор цементационных печей не позволяет повысить температуру цементации более 950-960°. Поэтому детали цементируют не в муфельных печах, а в установках ТВЧ. Индукционный нагрев позволяет производить цементацию при температуре до 1050°С, при этом время цементации сокращается в 10-12 раз по сравнению, с обычной газовой цементацией. Например, на автозаводе им. Лихачева цементация при нагреве ТВЧ зубчатых колес автомобиля на глубину 0,8-1,0 мм происходит в течение всего лишь 40-45 мин. В качестве карбюризатора применяют эндотермическую атмосферу. Так как время нагрева в процессе цементации небольшое, хотя температура и высокая, зерна аустенита не успевают вырасти, поэтому механические свойства таких зубчатых колес остаются хорошими. Для цементации автомобильных зубчатых колес на автозаводе им. Лихачева применяют стали марки 25ХГТ и 25ХГМ.

Дефекты цементации. В процессе цементации могут возникнуть следующие дефекты:

1)           завышенная или заниженная глубина цементованного слоя;

2)           слишком высокое содержание углерода в слое (цементитная сетка);

3)     резкий переход от цементованного слоя к сердцевине.

Завышенная глубина цементованного слоя обычно получается из-за повышенной температуры в печи или большой выдержки деталей в зоне науглероживания. Детали с завышенным слоем бракуются.

Заниженная глубина цементованного слоя образуется в основном в результате малой активности карбюризаторов и пониженной температуры цементации. Такие детали после анализа исправляют повторной цементацией.

Слишком высокое содержание углерода в цементованном слое (выше 1,1-1,2% углерода) получается благодаря завышенной температуре цементации и высокой активности карбюризатора. В результате этого избыточный углерод выпадает по границам зерен в виде цементитной сетки, которая резко снижает прочностные свойства цементованного слоя и вызывает выкрашивание. Такие детали являются окончательным браком.

Резкий переход от цементованного слоя к сердцевине получается в результате высокой температуры цементации и небольшой выдержки. При таком дефекте в процессе эксплуатации деталей цементованный слой может отслоиться от сердцевины.

Жидкостная цементация производится в соляных ваннах при температуре 830-850°С. В качестве карбюризатора применяют карбид кремния  SiC.  Наилучшим составом ванны является состав, содержащий 75-85% Na₂СО₃, 10-15% NaCl и 6-10% SiC.

В процессе цементации происходит следующая реакция:

2Na₂CO₃ + SiC = Na₂SiO₃+Na₂O+ C_ат+2СО

Выделившийся в результате реакции атомарный углерод диффундирует в сталь, в результате чего образуется науглероженный слой. Глубина цементованного слоя для стали марок 20Х, 12ХНЗА, образованная в течение часа, равна 0,25-0,30 мм.

Цементованные детали закаливаются непосредственно в соляной ванне. Поверхность деталей после закалки получается без следов окалины и окисления.

Жидкостную цементацию применяют для науглероживания мелких деталей, глубина цементованного слоя которых не должна превышать 0,5-0,6 мм.

В процессе работы ванны, кроме атомарного углерода, выделяется значительное количество шлака Na2SiO₃. Шлак засоряет ванну и затрудняет цементацию, поэтому ванну следует периодически очищать.

Нитроцементация - это новейший процесс химико-термической обработки, при котором поверхность стальных деталей насыщается углеродом и азотом одновременно. Этот процесс экономичен, безвреден и позволяет получать поверхностные слои высокой твердости и износостойкости.

Цементитная сетка в закаленном слое (Х400)

Нитроцементация осуществляется в науглероживающей атмосфере, применяемой для газовой цементации, но с добавлением 1.-6% аммиака для получения атомарного азота.

При высокой температуре нагрева метан, находящийся в составе природного газа, распадается на атомарный углерод и водород, а аммиак - на атомарный азот и водород. Таким образом, при нитроцементации среда не содержит ядовитых соединений циана, однако поверхность стальных деталей эквивалентна цианированным, т. е. насыщается углеродом и азотом одновременно.

На заводах при отсутствии природного газа для нитроцементации применяют жидкий карбюризатор, например триэтаналомин - прозрачную жидкость, содержащую углерод и азот.

Нитроцементацию конструкционных сталей марок 12ХНЗА, 25ХГТ, 25ХГМ и т. д. обычно производят при температуре 850-860°С в шахтных печах и безмуфельных агрегатах. Нитро цементованный слой состоит из карбидов и нитридов. По износостойкости он значительно выше цементованного слоя, поэтому при нитроцементации стремятся получить слой глубиной на 0,3-0,4 мм меньше цементованного. Например, при газовой цементации глубина науглероженного слоя для зубчатых колес коробки скоростей грузового автомобиля равна 0,9-1,1 мм, а при нитроцементации - 0,5-0,7 мм. Уменьшение глубины слоя позволяет значительно увеличить количество продукции, получаемой с одного квадратного метра площади цементационных агрегатов.

Нитроцементация по сравнению с газовой цементацией име­ет следующие достоинства: 1) ускорение насыщения поверхности деталей углеродом и азотом на 30-35%; 2) использование более низких температур с минимальным разрушением и изнашиванием цементационных печей; 3) получение минимальных деформаций; 4) повышение износостойкости деталей; 5) повышение способности к закаливанию нитроцементованного слоя, что допускает полную закалку в горячем масле.

При нитроцементации максимальное насыщение поверхности деталей азотом составляет 0,4%, углеродом 1,1% (рис. 132).

Твердость поверхностного слоя HRC≈65. Участки поверхностей деталей, не подлежащие нитроцементации, для сохранения на них низкой твердости защищают тонким слоем меди, не пропускающим углерод и азот в металл. Слой меди в 25-30 мк наносится гальваническим способом.

Цианирование. Процесс насыщения поверхности стальных Деталей углеродом и азотом называют цианированием. Существует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное цианирование применяют для повышения твердости и износостойкости поверхности деталей, изготовленных из конструкционной малоуглеродистой стали марок 10, 20, 35, 12ХНЗА и др., которые содержат 0,10-0,40% углерода. Оно производится в ваннах с такими расплавленными нейтральными солями, как NaCl, ВаСl₂, Na₂СОз и т. д. В качестве карбюризатора используют цианистые соли NaCN и KCN, основной компонент (циан) которых способствует насыщению деталей углеродом и азотом.

В процессе цианирования при нагреве цианистые соли распадаются с образованием активного азота и углерода, которыми насыщается поверхность стальных деталей. В результате этого в цианированном слое образуются карбиды и нитриды железа. При цианировании глубина слоя обычно не превышает 0,15-0,35 мм.

Для придания цианированному слою высокой твердости дета­ли подвергаются закалке в воде или масле в зависимости от марки стали. Закалку производят непосредственно в цианистой ванне с подстуживанием на воздухе до 780-800°С. Отпуск осуществляется при температуре 160-180°С в течение 90 мин.

Микроструктура цианированного слоя представляет собой азотистый мартенсит. Твердость слоя HRC 65-67.

В процессе цианирования содержание циана уменьшается, так как он выгорает. Поэтому для поддержания постоянного состава в ванну добавляют небольшие порции цианистых солей (5-10% от веса соли).

Низкотемпературное цианирование применяют для повышения твердости на 2-4 единицы HRC, износо- и красностойкости режущего инструмента. Цианирование производится при 550-570°С для быстрорежущих сталей Р18 и Р9 и при 510 - 520°С для высокохромистых сталей. Цианирование осуществляется в соляных ваннах, которые содержат 50% NaCN и 50% KCN.

Глубина цианированного слоя составляет 0,02-0,06 мм, а скорость цианирования примерно 0,01 мм за 10 мин. или 0,06 мм за 1 час.

Цианистые соли ядовиты, поэтому ванны с такими солями изолируются и снабжаются защитными колпаками с отсасывающей вентиляцией.

Азотирование. Процесс насыщения поверхности стальных деталей азотом называют азотированием. Этот процесс является одним из наиболее эффективных методов повышения износоустойчивости деталей. Азотированию подвергают шпиндели металлорежущих станков, гильзы, копиры, плунжеры, клапаны и другие детали, изготовляемые из стали 38ХМЮА и 35ХЮА.

Азотирование ведется в шахтных печах в атмосфере распадающегося аммиака при температуре 525-570°С. Полученный таким способом слой обладает высокой твердостью и способностью сохранять прочность при температуре 600°С, в то время как цементованные детали при такой температуре быстро размягчаются. Перед азотированием детали подвергают термической обработке- улучшению, т. е. закалке при 930-960°С в воде и отпуску при температуре 600°С до твердости HRC 28-32.

Процесс азотирования производится следующим образом. Детали укладывают в стальные корзины и загружают в шахтную печь. После нагрева печи до 525-570°С в ее муфель подают аммиак NH₃. Под действием температуры аммиак распадается:

2NH₃→2N + ЗН₂.

Образовавшийся атомарный азот диффундирует в поверхность деталей, в результате чего образуется азотированный слой, глубина которого равна 0,25-0,65 мм. Процесс азотирования происходит в течение 15-50 час, а иногда и более. Так, для получения азотированного слоя толщиной 0,20-0,30 мм при температуре 525°С необходимо 25 час.

После азотирования детали сначала вместе с печью охлаждают до 100°С, а затем - на спокойном воздухе. В результате такого охлаждения детали практически получаются без искажения размеров и после небольших доводок могут идти на сборку.

Азотирование - более длительный процесс, чем цианирование или цементация, и требует более точной обработки.

Для повышения коррозийной стойкости детали, изготовленные из углеродистой стали, азотируют при более низкой температуре.

Чтобы предохранить участки деталей, не подлежащие азотированию, применяют поверхностное лужение, т. е. электролитическое покрытие оловом.

Алитирование. Этот процесс применяют главным образом для придания поверхности стальных деталей особых физических свойств с целью повышения их жаростойкости. Алитированию подвергают детали, работающие при высоких температурах: камеры газификации, колосники решеток газогенераторных тракторов, чехлы термопар, цементационные ящики, трубы и т. д. Процесс алитирования основан на диффузии алюминия в сталь.

Существует три способа алитирования: жидкостный, твердый и металлизация. Наиболее производительным является способ металлизации. Сущность его состоит в том, что расплавленный алюминий под действием струи сжатого воздуха наносится на поверхность детали. Толщина алюминиевого слоя 0,8-1,0 мм. Алюминий берется в виде проволоки сечением 1,5-2 мм.

После алитирования детали подвергают диффузионному отжигу при температуре 950-1050°С. Под действием температуры отжига активные атомы алюминия проникают в поверхность стальных деталей, образуя слой, насыщенный алюминием (твердый раствор алюминия в железе). Толщина слоя 0,15-0,25 мм. Для предохранения алюминиевого слоя деталей от окисления его покрывают специальной огнеупорной обмазкой, состоящей из серебристого графита, огнеупорной глины и жидкого стекла.

В процессе эксплуатации алитированных деталей при высоких температурах на поверхности их появляется прочная пленка из окиси алюминия Аl₂О₃, которая предохраняет металл от образования окалины.

Хромирование. Целью этого процесса, так же как и алитирования, является повышение поверхностной твердости и жаростойкости. Хромирование производится в газовой среде, содержащей хлориды хрома, при температуре 900-1100°С в течение 10-20 час. В результате диффузии поверхность стальных деталей насыщается хромом на глубину 0,1-0,3 мм и приобретает высокую твердость, жаро- и коррозийную стойкость.

При диффузионной металлизации поверхность стали можно также насыщать кремнием (силицирование), бором (борирование) и т. д.