7.3. Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (угле­родом, азотом, бором и т. п.) путем его диффузии из внеш­ней среды. Изделие помещают в среду, богатую этим элементом, и нагревают.

При химико-термической обработке в стали протекают фазовые превращения, связанные с нагревом и охлаждением, изменяются химический состав и структура поверхностных слоев, что в широких пределах изменяет свойства.

7.3.1. Операции химико-термической обработки

Цементация стали – операция диффузионного на­сыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали угле­родом при нагревании выше критических точек в соответствующей среде – карбюри­заторе.

При науглероживании, а затем закалке и отпуске поверхностный слой приобретает высокую твердость, износостойкость, в нем образуется остаточное напряжение сжатия. Сердцевина из­делия (углерода – менее 0,3 %) закалку не воспримет – оста­нется мягкой, пластичной.

Цементации подвергают конструкционные углеродистые и легированные стали с низким содержанием углерода (например, марки 15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 12ХН3А и др.). Этот процесс широко применяется в локомотиво-, станко- и автотракторостроении, инструментальном производстве и т. п.

Цементация с последующей закалкой и отпуском повышает предел выносливости стальных деталей вследствие образования в поверхностном слое остаточного напряжения сжатия и понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Цементованная сталь обладает высокими износостойкостью и контактной прочностью.

Азотирование – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая резко повышает твердость и износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные алюминием, хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием (38ХЮ, 38ХМЮА, 38ХВФА), образующие в по­верхностных слоях нитриды легирующих элементов. Толщина азотированного слоя – 0,3 – 0,6 мм, твердость его – HRC54 – 66. Наиболее высокую твердость имеют стали, легированные алюминием и ванадием. Износостойкость и предел выносливости азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. После азоти­рования проводят шлифование, доводку и полирование деталей.

Нитроцементация – операция диффузионного на­сыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживащего газа и аммиака.

Нитроцементация проводится для углеродистых и леги­рованных сталей при температуре 840 – 860°С. Продолжи­тельность операции – 4 – 10 ч, глубина слоя – 0,2 – 0,8 мм. После нитроцементации следует закалка стали либо непосредственно из печи с подстуживанием до 825 – 800°С, либо (реже) после охлаждения и повторного нагрева. Отпуск – низ­кий, при температуре 160 – 180°С. Твердость слоя после закалки и отпуска – HRC58 – 64.

Борирование – операция насыщения поверхностно­го слоя стали бором, она обеспечивает высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Этой операции подвергают любые стали. Твер­дость поверхности – HV1800 – 2000 (более HRC72).

Алитирование – операция насыщения поверхности деталей алюминием для повышения их жаростойкости (окалиностойкости). Жаростойкость алитированных деталей – до 850 – 900°С. Твердость поверхности после алитирования возрастает до НВ400 – 450, износостой­кость слоя низкая.

Хромирование – операция насыщения поверхност­ного слоя стали хромом для повышения коррозионной стой­кости, жаростойкости, а у средне- и высокоуглеродистых сталей при этом значительно повышаются твердость и изно­состойкость. Жаростойкость хромированной стали – до 800°С. Глубина хромированного слоя – 0,05 – 0,20 мм.

Хромируют стали с различным содержанием углерода. Антикоррозионные свойства во многих средах (мор­ской воде, сернистых и углекислых газах) присущи хромиро­ванным слоям любых сталей. Хромированию подвергают детали паросилового обору­дования, пароводяной арматуры, a также детали, работаю­щие на износ в агрессивных средах (клапаны, вентили, втулки и т. п.).

Хромированный слой низкоуглеродистой стали – твердый раствор хрома в альфа-железе – обладает низкой твердо­стью (НВ180 – 200) и высокой пластичностью. У средне- и высокоуглеродистых сталей хромированный слой состоит преимущественно из карбидов хрома, поэтому его твердость высокая – до HRC72 (HV1200 – 1300) – и превос­ходит твердость азотированной и цементованной закаленной стали. Слой обладает высокой износоустойчивостью, но и повышенной хрупкостью, что является его основным недо­статком.

Кроме перечисленных операций химико-термической об­работки в машиностроении используются диффузионное цинкование, титанирование, боралитирование, боросилицирование и другие операции с целью изменения свойств поверхности деталей.

Библиографический список

1. ЛахтинЮ. М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю. М.Лахтин. М.: Металлургия, 1993.

2. МозбергР. К. Материаловедение / Р. К.Мозберг. М.: Высшая школа, 1991.

3. Гуляев А. П. Металловедение / А. П.Гуляев. М.: Металлургия, 1986.

4. Металловедение и технология металлов / Г. П. Фетисов, М. Г.Кариман и др. М.: Высшая школа, 2002.

5. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники / Под ред. Н. Н. Воронина. М.: Маршрут, 2004.

Учебное издание

Бычков Георгий Владимирович,

Смольянинов Антон Владимирович

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ