Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой  называют процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев и металла.

Такая обработка применима к деталям, от которых требуется твердая и износоустойчивая поверхность при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины, высокая коррозионная стойкость, высокое сопротивление усталости.

Химико-термическая обработка стали основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами.

Наиболее распространенными видами химико-термической обра­ботки стали являются: цементация — насыщение поверх­ности стальных деталей углеродом; азотирование — насыщение поверхности стальных деталей азотом; цианирование — одновремен­ное насыщение поверхности стальных деталей углеродом и азотом.

Кроме этих основных видов хи­мико-термической обработки, в про­мышленности применяют также поверхностное насыщение стали метал­лами: алюминием, хромом, кремнием и др. Процесс этот называется диф­фузионной металлизацией стали.

Цементация.  

Цементация — про­цесс поверхностного насыщения сталь­ных деталей углеродом. Цель цементации получить детали с вязкой сердцевиной и твердой поверхностью. Такие детали во время работы не разрушаются от уда­ров и хорошо сопротивляются истиранию. Цементации подвергают детали из углеродистой и легированной стали с содержанием угле­рода от 0,08 до 0,35%. Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, — карбюризаторы — могут быть твер­дыми,   жидкими и газообразными.

Цементация в твердом карбюризаторе производится путем на­грева деталей, упакованных в железные ящики (рис. 68) вместе с карбюризатором.

Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую из древесного угля (70%), углекислого бария ВаСO₃ (20—25%) и углекислого кальция СаСO₃ (3—5%).

Температуру цементации принимают на 20—50° выше точки А_C3 . Температура до 920—930° С позволяет почти в два раза сократить длительность процесса без ухудшения механических свойств стали. Насыщение стали углеродом происходит путем непосредственного соприкосновения частиц угля с поверхностью стальных деталей в газовой среде, которая служит передатчиком углерода. При пра­вильном подборе карбюризатора содержание углерода в поверх­ностном слое не превышает 1,0—1,10%, что можно считать нормальным. Продолжительность цементации — от 5 до 15 и более часов в зависимости от глубины науглероживания и марки стали. Для це­ментации могут быть использованы самые разнообразные печи — камерные, непрерывного действия, с вращающейся ретортой, обо­греваемые мазутом, газом или электрические.

Жидкостной  цементации подвергают мелкие изде­лия; их погружают в расплавленные соляные ванны, состоящие из 75-85% Na₂CO₃ (сода), 10-15% NaCl(поваренная соль) и 6—10% SiC(карбид кремния).

Газовая  цементация в окиси углерода СО впервые была применена П. П. Аносовым. Сущность ее состоит в том, что цементируемые изделия нагревают и выдерживают при температуре 920—950° С в печи, куда в течение всего процесса непрерывно по­дается цементирующий газ. Для этой цели используют природный газ, состоящий в основном из метана СН₄, или искусственные газы, получаемые в результате разложения (пиролиза) нефтепродуктов— керосина, различных масел, бензола, пиробензола и др. Основной составляющей искусственных газов также является метан СН₄.

Детали загружают в муфельные печи, в которые вводят цемен­тирующие газы. При газовой цементации продолжительность про­цесса сокращается в 2—2,5 раза. Так, для получения цементован­ного слоя глубиной 1,0—1,2 мм требуется затратить 4—5 часов. Кроме этого, газовая цементация обладает и другими преимущест­вами: возможностью регулировать процесс за счет изменения коли­чества и химического состава подаваемого газа: отсутствием гро­моздкого оборудования и угольной пыли; возможностью произво­дить закалку непосредственно из печи. Процесс газовой цементации более экономичен.

Азотирование.

Азотированием называется насыщение поверх­ности стали азотом. Основоположником азотирования стали явля­ется русский ученый проф. Н. П. Чижевский, который впервые ис­следовал и применил этот процесс. Для азотирования используют аммиак NH₃. Сущность азотирования заключается в том, что ам­миак при температуре 500—750° С разлагается на азот и водород, и активные атомы азота (атомарный азот), диффундируя в поверхност­ный слой, сообщают поверхности стали большую твердость, не влияя на механические свойства сердцевины деталей. В промыш­ленности для изготовления деталей, подлежащих азотированию, в настоящее время широко применяют сталь марки 35ХМЮА или ее заменитель 35ХВФЮА. После окончательной механической обра­ботки детали закаливают от температуры 960° С с охлаждением в воде или в масле и подвергают отпуску при 600° С также с охлаждением в воде или в масле. Затем детали азотируют. Продолжитель­ность азотирования от 12 до 60 и даже до 90 часов в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя и характера процесса.

Длительность выдержки деталей в потоке аммиака в печи влияет на глубину азотированного слоя. В среднем при 500° С азот за каж­дые 10 часов диффундирует на глубину 0,1 мм. На практике для сокращения времени азотирования процесс ведут путем ступенча­того нагрева: вначале в течение 12—15 часов при температуре 500— 520° С; затем температуру поднимают до 550—600° С и дают выдерж­ку 15—20 часов. При таком режиме длительность процесса удается сократить в 2,0—2,5 раза. В результате азотирования твердость стали достигает НВ 1000—1100; последующей термической обработ­ки не требуется.

Азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: она дает незначительное изменение размеров деталей, обеспечивает бо­лее высокую твердость и износоустойчивость (при нагреве до тем­пературы 500—550° С твердость азотированных деталей не снижа­ется); сообщает деталям хорошую сопротивляемость действию пе­ременных нагрузок, высокий предел выносливости и коррози­онную стойкость. Недостаток азотирования — длительность про­цесса.

Азотирование применяют в машиностроении для получения вы­сокого качества дизельной аппаратуры, измерительного инстру­мента, зубчатых колес и др.

Цианирование — процесс одновременного насыщения поверх­ности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости.

Одновременное присутствие в среде углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои стали. Такими средами могут быть расплавленные цианистые соли (жидкостное цианирова­ние), науглероживающие и азотирующие газы (газовое цианирова­ние), твердые порошки и пасты (твердое цианирование). Цианирова­нию подвергают углеродистые и легированные стали.

Существует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное  цианирование при­меняют для деталей из углеродистой и легированной стали с содер­жанием углерода 0,3—0,4% с целью получения твердого, хороша сопротивляющегося истиранию поверхностного слоя и вязкой серд­цевины. Такое цианирование проводится при температурах 780— 930° С, т. е. выше точки Л_Г1, когда сталь находится в состоянии аус-тенита и преобладает процесс насыщения ее углеродом. Этот вид цианирования широко применяют на автомобильных заводах для зубчатых колес и различных мелких деталей.

Низкотемпературное  цианирование при­меняют для инструментов из быстрорежущей стали при температу­рах 500—600° С, т. е. ниже точки A_C1, когда преобладает процесс насыщения стали азотом, с последующим медленным охлаждени­ем цианированного инструмента.

В последнее время на заводах вводится новый процесс циа­нирования — газовое цианирование, или нитроцементация. Газо­вое цианирование занимает промежуточное положение между газо­вой цементацией и азотированием и поэтому иногда называется нитроцементацией.

При газовом цианировании детали нагреваются в смеси газов, содержащих углерод и азот. Для этой цели используют смесь окиси углерода СО и аммиака ΝΗ₃. При их химическом взаимодействии образуются активный углерод и азот. В последнее время газовое ци­анирование (нитроцементацию) производят в печах, оборудованных для газовой цементации, путем введения в рабочее пространство этих печей бензола или пиробензола.

Диффузионная металлизация.

Кроме указанных процессов на­сыщения поверхности стали углеродом и азотом, широко применяют насыщение стали алюминием, хромом, кремнием и др. Этот про­цесс применяют главным образом с целью получения стальных дета­лей, устойчивых против разъедания щелочами и кислотами, а так­же с целью повышения устойчивости стали против окисления горячи­ми печными газами, т. е. против окалинообразования.

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости. Алитированию подвергают главным образом мало­углеродистые стали. Процесс алитирования может происходить в твердой, жидкой и газообразной средах. Наиболее распространен способ алитирования в твердой среде. Детали, подлежащие алити­рованию, укладывают в железные ящики со смесью, состоящей из 49% порошка алюминия, 49% окиси алюминия и 2% хлористого аммония. Укладывать детали в ящики следует так же, как при це­ментации в твердом карбюризаторе. Ящики плотно закрывают крыш­ками, обмазывают огнеупорной глиной, погружают в печь и на­гревают в течение 5—10 часов при температуре от 900 до 1100° С. За это время образуется алитированный слой глубиной 0,3—1,0 мм.

После алитирования детали подвергаются диффузионному от­жигу при температуре около 1000° С с выдержкой 4—6 часов. В ре­зультате отжига содержание алюминия в поверхностном слое сни­жается, что уменьшает хрупкость алитированного слоя.

При алитировании в жидкой среде в стальном тигле расплавля­ют алюминий, насыщенный 6—8% железа, и в него погружают де­тали. Алитирование производится при температуре 750—800° С в течение 50—90 минут. Такая выдержка обеспечивает получение слоя глубиной 0,2—0,35 мм.

При газовом алитировании изделие вместе с порошком ферро­алюминия погружают в реторту и пропускают хлористый водород. После обменных реакций, протекающих при температуре 850 — 1000° С, атомарный алюминий диффундирует в поверхностные слои деталей.

Процесс газового алитирования длится обычно не более 4 часов. За это время можно получить алитированный слой глубиной 0,4 мм. После окончания процесса как жидкого, так и газового алитирова­ния рекомендуется производить диффузионный отжиг.

Диффузионным хромированием называют процесс насыщения поверхности стали хромом. Хромирование может производиться в твердых, газовых и жидких средах.

При хромировании в твердой среде применяют порошкообраз­ную смесь из 60—65% металлического хрома или феррохрома, 30— 35% глинозема и 5% хлористого аммония. Процесс ведется при температуре 1000—1150° С в течение 7—12 часов. При хромирова­нии низкоуглеродистой стали на поверхности деталей за это время образуется хромированный слой толщиной 0,1—0,25 мм.

При жидком хромировании изделия нагревают в ванне из рас­плавленных хлористых солей бария, магния и кальция с добавкой феррохрома и хлористого хрома. Процесс ведется при температуре 980-1000° С.

При хромировании в газообразной среде изделия нагревают до 950—1050° С в атмосфере парообразного хлористого хрома.

В низкоуглеродистых сталях хром растворяется в α-железе. В высокоуглеродистых сталях хром образует карбиды.

Хромированию подвергают различные детали и инструменты, от которых требуются высокая износоустойчивость, коррозионная стойкость и жаропрочность,—такие, как сверла, калибры, клапаны компрессоров и т. д. Жаростойкость хромированных сталей состав­ляет 800—850° С.

Силицированиемназывают процесс поверхностного насыщения стали кремнием с целью повышения кислотоупорности, сопротивле­ния износу и жаростойкости деталей. Силицирование проводят в твердом, жидком и газообразном цементаторе.

Для твердого  силицирования используют смесь ферросилиция с шамотом. Чтобы ускорить процесс, добавляют хлористый алюминий. Процесс ведут при 1100 — 1200° С. При вы­держке 4—10 часов образуется силицированный слой глубиной 0,2—0,7 мм.

При жидком  силицировании используют хло­ристые соли с добавкой ферросилиция. Процесс ведут при 950— 1000° С.

Газовое  силицирование имеет наибольшее про­мышленное значение; его проводят аналогично алитированию, с ис­пользованием ферросилиция. Процесс идет более интенсивно, чем в предыдущих случаях. После выдержки при 1050° С в течение 2 часов получают слой толщиной 1,0 мм, насыщенный кремнием.

Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Если проварить деталь в масле при температуре 150— 200° С, масло, впитываясь в поры, способствует самосмазыванию детали, повышая ее стойкость при работе на истирание. Жаростой­кость силицированных деталей не превышает 800—850° С.

В последние годы разработаны новые процессы повышения из­носоустойчивости стальных деталей, которые называются сульфидированием и сульфоцианированием. Сущность  сульфидирова­ния заключается в насыщении поверхности стальных деталей се­рой на глубину 0,2—0,3 мм путем их нагрева в расплавленных серноазотистых солях при температуре 550—600° С с выдержкой в те­чение 2—3 часов. В результате поверхность деталей насыщается се­рой до 0,5% и азотом до 1,0%. Сульфидированные детали хорошо работают на трение. По лабораторным исследованиям износоустой­чивость деталей после сульфидирования повышается в 2—3 раза.

Сульфоцианирование — процесс поверхностного на­сыщения стали серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокую износоустойчивость. Сульфоцианирование проводится обычно в соляных ваннах при температуре 550—600° С.