11.2.3. Длительность процесса при химико-термической обработке

Под химико-термической обработкой подразумеваются такие процессы, при которых, наряду с обычными чисто термическими процессами, производится изменение химического состава поверхностных слоев стали путем диффузии в нее различных элементов.

Длительность процесса химико-термических операций складывается из двух элементов: времени нагрева до оптимальной температуры, необходимой для диффузии, и времени выдержки при оптимальной температуре в соответ­ствии с заданной глубиной слоя.

В большинстве практических случаев при химико-термической обработке время нагрева до заданной температуры меньше времени выдержки, вследствие чего при расчетах длительности процесса это время самостоятельно не учитывается, а входит составной частью в общий цикл химико-термической обработки.

Общий цикл химико-термической обработки зависит от технических условий (глубина слоя) и при прочих равных условиях от степени технического совер­шенства самого процесса и оборудования. Поэтому определение длительности операций химико-термической обработки обычно производят по данным научно-исследовательских институтов и заводских лабораторий.

Ниже даются практические и лабораторные данные по длительности основ­ных химико-термических процессов.

Цементация. Различают три основных вида цементации:

а) в твердом карбюризаторе,

б) в газовом карбюризаторе и

в) жидкостная.

Выбор того или иного вида цементации определяется в зависимости от кон­кретных условий в соответствии с экономической целесообразностью.

Независимо от вида цементации, она проводится при температуре 900-920 °С. Скорость цементации при этой температуре зависит от состава карбюри­затора, который в основном определяет и продолжительность процесса.

Общая длительность процесса при различных видах цементации приводится в табл. 11.46.

Жидкостное цианирование. Цианированию могут подвергаться детали из низко- и среднеуглеродистых как легированных, так и нелегированных сталей.

Для жидкостного цианирова­ния применяются различные смеси цианистых и нейтральных солеи, состав которых назначается в за­висимости от глубины цианируемого слоя.

Для цианирования на неболь­шую глубину (0,1…0,5 мм) при температуре 820…870 °С наиболее широкое распространение полу­чила ванна следующего состава:

• NaCN - 30 %;

• NaCl - 55 %;

• Na3CO3 - 15 %.

Зависимость глубины слоя от температуры и времени выдерж­ки для стали 10 приведена на рис. 11.26.

Для цианирования слоев 0,35…0,8 мм широко применяются ванны с чер­ным цианамидом или цианплав ГИПХ, поставляемые нашей промышлен­ностью в виде сплава из смеси солей следующего состава:

• цианид кальция Са(CN)₃ – 43…49 %;

• цианамид кальция CaCN₂ – 2…3 %;

• NaCl – 30…35 %;

• CaO –14…16 %;

• С – 4…5 %.

Нейтральные соли составляются из смеси 60 % СаС1₂ + 40 % NaCl. Нейтральные соли в рабочую ванну вводятся в количестве 90 %, остальное — цианплав.

Температура цианирования в ваннах с цианплавом ГИПХ колеблется в пределах 850…870 °С. Глубина слоя при этих условиях по данным Автозавода имени Сталина достигается 0,35 мм за 1 час, 0,55 мм за 2 часа и 0,68мм за 3 часа.

Таблица 11.46.

Продолжительность процесса при различных видах цементации

Требуемая глубина цементируемого слоя, мм	Продолжительность процесса цементации, час.
	твердым карбюризатором	газовой	жидкостной
0,4-0,7	6-8	4-6	1-2
0,6-0,8	8-10	5-7	1,5-3
0,8-1,2	10-12	6-8	2-4
1,0-1,4	13-15	8-10	3-5
1,2-1,6	16-18	9-12	4-6,5
1,4-1,8	18-20	12-14	5-8
1,5-1,9	19-21	14-16	6-9
1,6-2,0	20-22	15-17	7-10
1,8-2,2	22-24	16-18	-
2,0-2,4	23-25	17-19	-

Азотирование. Азотированию подвергаются детали после их термической и окончательной механической обработки.

Практически азотирование проводится на глубину слоя от 0,2 до 0,65 мм.

Глубина азотированного слоя зависит от продолжительности процесса, температуры и степени диссоциации аммиака.

Степень диссоциации аммиака обычно принимают 15…25 % при температуре процесса 500..520 °С и 50…60 % при 600 °С.

Продолжительность процесса в зависимости от глубины слоя может быть определена по рис. 11.27.

При антикоррозионном азотировании процесс длится, в зависимости от технических условий, от нескольких минут до 2,5 час, что обеспечивает глубину антикоррозионного слоя от 0,02 до 0,04 мм. Интервал температур при антикор­розионном азотировании устанавливается в зависимости от состава стали и мо­жет быть принят в пределах 550…800 °С. Оптимальная степень диссоциации аммиака берется в пределах 40…50 % при температуре процесса 600 °С и 55…60 % при 700 °С.

Рис. 11.27. Зависимость твердости и глубины азотированного слоя от температуры и продолжительности процесса (Ю.М. Лахтин)

Оптимальный режим антикоррозионного азотирования в зависимости от температуры может быть установлен (для глубины от 0,015 до 0,04 мм) по рис. 11.28.

Процесс антикоррозионного азотирования может быть осуществлен по методу В.И. Просвирина и А. В. Рябченкова в ваннах с расплавленными солями, при этом во время процесса через расплавленные соли непрерывно пропускается аммиак.

С целью повышения антикоррозионных свойств азотированного слоя при­меняется электрохимическая защита стали от корродирующего действия распла­вленных солей путем включения стали в цепь постоянного тока в качестве катода.

Этот процесс может быть проведен в обычных ваннах, применяемых для цианирования с обычным составом солей. По данным А. Н. Минкевич, могут быть рекомендованы составы, не содержащие цианистых солей, а именно: 31 % ВаCl₂ + 48 %СаСl₂, +21 % NaCl или 72,5 % СаСl₂+27,5 % NaCl с температу­рой плавления 500 °С.

Длительность процесса при температуре 550 °С — 60 мин. с подачей аммиака 25 л/час, при температуре 600…700 °С 10мин. с подачей аммиака 40…70 л/час.

Плотность постоянного тока для электрохимической защиты при темпера­туре 550…700 °С от 0,15 до 0,5 а/дм², при 750 °С — в пределах 0,5…1,5 а/дм².

Хромирование (термохромирование). Процесс поверхностного насыщения стальных деталей хромом при их нагреве .называют хромированием или в от­личие от гальванического хромирования — термохромированием. Термохроми­рование проводится с целью придания деталям высоких антикоррозионных свойств. Существуют три способа хромирования: в порошкообразных смесях, в газовой среде и в расплавленных солях.

Процесс хромирования в поршках ведется при температуре 950…1050 °С.

Длительность процесса хромирования в порошках в зависимости от темпера­туры и глубины его для различных марок сталей приведена на рис. 11.29 и 11.30.

При газовом хромировании детали нагреваются в специальной реторте до 950…1050 °С в потоке хлористого хрома (CrCl₂). При выдержке при этой тем­пературе от 3 до 5 час глубина слоя достигает 0,06…0,1 мм [17].

Хромирование в газовой среде Н₂ + Сl вследствие взрывоопасности этой смеси требует особой осторожности.

С этой точки зрения наибольший интерес представляет метод хромирования, предложенный В. И. Архаровым как взрывобезопасный. При этом методе детали укладываются в реторту совместно с дробленым феррохромом. В одна из концов реторты посредством трубок подводятся пары соляной кислоты (НСl) через другой конец реторты обеспечивается выход отходящих продуктов.

Процесс хромирования ведется при температуре 1000...1050 °С. Дав­ление газов в реторте, равное 10 мм столба ртути, поддерживается гидравлическим затвором из серной кислоты.

При хромировании этим методом за 6…8 час достигается глубина слоя от 0,03 до 0,05 мм среднеуглеродистых сталей и 0,1 мм — для низкоуглеродистых сталей.

При хромировании с расплавленными со­лями по методу ЭНИМС в ванну состава 70 % ВаСl₂ + 30 % NaCl вводится 20…25 % (от веса солей) порошкообразного хрома или феррохрома, обработанного предва­рительно соляной кислотой. Процесс хромирования ведется при температуре 980…1000 °С обычно в электродных ваннах.

Зависимость глубины слоя от длительности процесса при температуре 1000 °С приведена на рис. 11.31.

Алитирование. К настоящему времени промышленностью освоены три спо­соба алитирования: в порошкообразной смеси, в ваннах с расплавленным алюминием и металлизация стали алюминием с последующим диффузионным отжигом.

При алитировании в порошкообразных смесях детали, очищенные от ока­лины, упаковываются в железные или из жаростойкой стали ящики и нагре­ваются до температуры 900…1050 °С.

Способ упаковки деталей в алитирующей смеси аналогичен упаковке деталей при твердой цементации.

В качестве алитирующих смесей применяются порошки следующего состава: порошкообразный алюминий — 49 %; окись алюминия (глинозем) — 49 %; хлористый аммоний (NH₄Сl) — 2 % .

Упакованные в ящики детали накрываются крышкой, края которой с целью герметизации промазывают замазкой, состоящей из белой глины и талька в отношении 3:1, затворенной на растворе жидкого стекла. Упакованные таким; образом детали подвергаются нагреву в нефтяных или газовых печах.

После нагрева деталей до температуры 900…1050 °С им при этой температуре дают выдержку, длительность которой зависит от глубины слоя.

Данные о влиянии длительности алитирования на глубину слоя приведены на рис. 11.32.

После алитирования детали медленно охлаждают и после разгрузки подвер­гают диффузионному отжигу в течение 3..5 час при 900…1000 °С.

Глубина алитированного слоя принимается по техническим условиям и ко­леблется обычно в пределах от 0,3 до 1 мм.

При жидкостном алитировании детали, очищенные от окалины, нагреваются в ванне до температуры 720…800 °С. В качестве алитирующего сплава применяется смесь 92…94 % алюминия и 6…8 % железа. Время выдержки в зависимости от глубины и температуры дано на рис. 11.33.

После алитирования детали подвергаются диффузионному отжигу про­должительностью 1…1,5 час при температуре 950…1150 °С.

При алитировании методом металлизации стальные детали предварительно очищаются от окалины и затем покрываются алюминием толщиной слоя 0,3…0,4 мм.

С целью предохранения алюминиевого слоя от окисления и расплавления при последующем нагреве детали подвергают изоляции, которая состоит в покры­тии алюминиевого слоя 10…20 % -ным раствором какой-либо хлористой соли, после чего наносят слой натриевого жидкого стекла и обсыпают кварцевым песком. Далее детали подвергают просушке и снова покрывают жидким стеклом.

После изоляции алюминиевого слоя деталь подвергается диффузионному отжигу по следующему графику: загрузка в печь с температурой 600…700 °С , равномерный постепенный нагрев до температуры 1200…1250 °С, выдержка при этой температуре 30…50 мин, охлаждение в печи до 600…700 °С и выгрузка на воздух. Глубина слоя алюминия на деталях, алитированных таким методом, составляет 0,8…0,9 мм.

Силицирование. Процесс проводится в интервале температур от 980 до 1200 °С на глубину от 0,5 до 1,0 мм.

В качестве силицирующей смеси применяют специальный порошок или газ специального состава.

Порошок приготовляется из ферросилиция без каких-либо добавок или с добавками в пропорции 80 % ферросилиция и 20 % кварцевого песка. Лучшие результаты дает смесь 20 % шамота,75 % ферросилиция и 5 % хлористого аммония.

Упаковка в ящики при силицировании производится аналогично упаковке при алитировании. Нагрев ящиков проводится в печах с любым отоплением.

Результаты силицирования в таких смесях приведены в табл. 11.47.

Таблица 11.47

Глубина силицированного слоя стали марки 10 в зависимости

от режима силицирования в порощкообразных смесях

Состав порошка	Режим силицирования	Глубина слоя, мм
Ферросилиций (содержащий около 60 % Si)	1100 °С - 9 час.	0,08
	1100 °С - 18 час.	0,16
	1100°С - 60 час.	0,47
80 % ферросилиция + 20 % шамота	1100°С- 2 часа	0,02-0,05
	1100 °С- 12 час.	0,20-0,23
	1200 °С- 2 часа	0,33-0,50
	1200 °С- 12 час.	0,60-0,80
75% ферросилиция+ 20 % шамота+ 5 % хлористого аммония	1200 °С- 10 час.	0,88-0,90

При газовом силицировании процесс ведется в печах с вра­щающейся ретортой. Детали укладываются в реторту вместе с порошком ферросилиция или карборунда. Количество порошка по весу должно составлять около 10 % от веса деталей. Степень загрузки реторты — около 75…80 % .

После нагрева садки до 950…1050 °С в реторту подается из баллона хлор. Давление в реторте поддерживается гидравлическим затвором в пределах от 10 до 50 мм вод. ст.

Для получения равномерного силицированного слоя направление потока хлора в процессе силицирования меняют путем переключения подводящих труб с одного конца реторты на другой.

По окончании процесса детали охлаждают в печи в потоке хлора до 100…150 °С, затем выгружают и с целью удаления с поверхностей деталей следов хлорида кремния их кипятят в воде.

Зависимость глубины слоя от времени выдержки при 1100 °С при этом про­цессе приведена на рис 11.35.