9. Химико-термическая обработка металлов

И СПЛАВОВ

9.1. Общие сведения

Химико-термической обработкой (поверхностное легирование) называют обработку, приводящую к диффузионному насыщению поверхностного слоя материала детали различными элементами. Применяется с целью повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в нагреве изделия до заданной температуры в твердой, газовой или жидкой средах, легко выделяющим диффундирующий элемент в атомарном состоянии, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. В отличие от термической обработки ХТО меняет не только структуру, но и химический состав поверхностных слоев, что позволяет в более широких пределах изменять его свойства.

Различают три стадии процесса химико-термической обработки. На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы. На второй стадии процесса они усваиваются насыщающей поверхностью металла - происходит адсорбция диффундирующих элементов. Третья стадия - диффузионное проникновение элемента в глубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией. Первая и вторая стадии процесса ХТО протекают значительно быстрее третьей - диффузионной стадии, где формируется структура и свойства диффузионной зоны. Поэтому третья стадия определяет скорость процесса ХТО.

Химико-термической обработке подвергаются в основном стальные детали (шестерни, валы, кулачки, червяки и др.) с целью изменения химического состава, фазовой структуры и свойств их поверхностного слоя. ХТО стальных деталей сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя неметаллами (C, N, Si, B и др.) и металлами (Al, Cr и др.) Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами - наиболее распространенные процессы химико-термической обработки. С и N легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя слои значительной толщины.

9.2. Цементация, азотирование и цианирование стали

Цементация стали - химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом. Цементацию проводят при температурах выше точки А_с3 (900-950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве.

Цементацию проводят для получения высокой твердости поверхностного слоя при условии сохранения мягкой и вязкой сердцевины, а также для повышения износостойкости и предела выносливости (усталости) стальных деталей. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации. Обычно цементации подвергают низкоуглеродистые стали, с содержанием 0,1-0,18 % С, чтобы сердцевина изделия, не насыщаемая углеродом, сохраняла высокую вязкость после закалки. Толщина цементированного слоя для деталей конструкций составляет 0,5-2 мм, измерительного инструмента - 0,3-1 мм, а концентрация углерода в поверхностном слое - 0,8-1 %.

Различают два вида цементации - твердым карбюризатором (насыщающей средой) и газовую. При цементации твердым карбюризатором насыщающей средой является древесный уголь или каменноугольный полукокс, к которым добавляют активаторы: углекислый барий (BaCO₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₃). Продолжительность выдержки при температурах 900-950 °С составляет 10-20 ч в зависимости от размера деталей. После цементации детали охлаждают вместе с твердой средой c печью или на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску.

Более широко применяют цементацию в газовых средах, как высокопроизводительный способ при массовом производстве деталей. Газовой средой может быть природный газ - метан (СН₄), пропан, бутан, а также окись углерода. Длительность процесса цементации в газовой среде сокращается в 2-3 раза по сравнению с цементацией твердым карбюризатором. Цементации подвергают зубчатые колеса, валы, червяки, ролики подшипников и др. детали.

Азотирование стали - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом. Азотирование является наиболее эффективным методом упрочнения поверхностного слоя, позволяющим подучить высокую твердость, износостойкость, усталостную прочность, теплостойкость и коррозионную стойкость поверхностного слоя деталей и инструментов. Азотированные стали имеют большую (в 1,5 - 4) износостойкость по сравнению с цементированными сталями твердость; азотированного слоя сохраняется при нагреве до 450-500 °С, тогда как твердость цементированного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется до 200-225 °С. Азотирование осуществляется на изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском), поэтому азотированные детали не подвержены короблению. Однако существенным недостатком азотирования является значительная длительность процесса (30-60 ч) и небольшая глубина упрочняемого слоя (0,5-0,6 мм).

Процесс азотирования проводят в закрытых муфелях, куда подаётся аммиак (NН₃). При нагреве до 550-520 °С аммиак разлагается, образуя атмосферный азот, который, внедряясь в поверхность деталей, взаимодействует о железом и легирующими элементами, образуя нитриды Fe₂N, Fe₄N, CrN, Cr₂N, TiN, MnN, и др.

Обычно для азотирования применяют стали, легированные нитридообразующими элементами - Al, Cr, Mo, например, 35ХМЮА, 12ХНЗА, 12Х13, 40Х.

Цианирование - процесс одновременного насыщения поверхности стальных изделий азотом и углеродом. Цианированию подвергают детали из сталей, содержащие 0,3-0,4 % С. Оно может производиться в твердых, жидких и газообразных средах.

На практике чаще используют цианирование в жидкой среде. Детали, прошедшие механическую обработку, погружают в специальную ванну с расплавом, содержащим соли NaCN, NaCl, Na₂CO₃. Различают высокотемпературное и низкотемпературное цианирование. Высокотемпературное цианирование проводят при температуре 820-850 °С. При этом получают слои толщиной 0,15 - 0,35 мм за 30-90 мин. Для получения слоев толщиной 0,5 - 2,0 мм применяют глубокое цианирование при 900-950 °С, длительность процесса 1,5-6,0 ч. После цианирования детали подвергают закалке и низкотемпературному отпуску. Цианированный слой по сравнению с цементированным обладает более высокой износостойкостью.

Низкотемпературное цианирование (500 - 600 °С) применяют для инструмента из быстрорежущей стали. На поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe₃(N₁C), обладающий хорошим сопротивлением износу и менее хрупкий, чем чистые карбиды (Fe₃C) или нитриды (Fe₂N).

Газовое цианирование еще называют нитроцементацией - производят в газовой смеси из науглераживающего газа и аммиака при температуре 850 - 870 °С, длительность процесса 1-10 ч для получения слоя толщиной 0,1-1,0 мм. После нитроцементац ии изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску. Структура нитроцементированного слоя состоит из мелкозернистого мартенсита и остаточного аустенита, что обеспечивает не только высокую твердость поверхности, но и хорошую прирабатываемость (например, нешлифуемых шестерен). Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению.