3.3. 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 этом происходят следующие процессы:

диссоциация – распад молекул во внешней среде и обра­зование атомов диффундирующего элемента;

адсорбция – осаждение атомов элемента на поверхности стальной детали;

диффузия – проникновение атомов элемента вглубь металла (в поверхностные слои детали).

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

3.3.1. 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 в твердом карбюризаторе – наиболее древ­ний способ. В настоящее время используется редко (чаще в единичном и мелкосерийном производстве). Карбюризатор – смесь порошка древесного угля и углекислых солей бария и натрия (10 – 40 %). Детали укла­дывают в стальной ящик, равномерно пересыпая карбюриза­тором. Ящик закрывают, помещают в печь и нагревают до 925 – 950°С. Длительность выдержки после нагрева зависит от требуемой глубины слоя (0,5 – 2,0 мм) при содержании в нем углерода до 1,0 – 1,2% (10 ч – для слоя глубиной в 1 мм). Контроль за процессом ведется по изломам стержней (свидетелей), специально вставляемых в ящик вместе с деталями.

Газовая цементациявпервые применена Павлом Петровичем Аносовым в тридцатых годах девятнадцатого столетия на златоустовском заводе, в СССР впервые внедрена на московском автозаводе имени Лихачева. Ее проводят в печах непрерывного действия. Детали помещают в печь на поддонах, подвесках или в корзинах. В качестве карбюризатора применяют есте­ственные (природные) и искусственные газы. Используют жидкие карбюризаторы (бензол, керосин, синтин), которые подаются в печь через капельницу.

При газовой цементации детали находятся в постоянном контакте с углеродосодержащими газами. При высокой температуре газы диссоциируют с выделением атомарного углерода, который оседает на поверхности стали и диффундирует в глубину детали. При газовой цементации выдержка составляет 4 – 5 ч на 1 мм глубины науглероженного слоя.

По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация имеет ряд преимуществ:

нагрев деталей происходит значительно быстрее и сокращается необходимое время выдержки при цементации;

возможность регулировки количества и состава цементирующего газа;

возможность полной механизации и автоматизации процесса;

улучшение условий труда.

Газовая цементация получила широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве, где затраты на специальное оборудование экономически целесообразны.

Микроструктура низкоуглеродистой стали после цемен­тации изменяется от поверхности к центру детали (рис. 7). Поверх­ностная зона (заэвтектоидная) имеет структуру «перлит и цементит», затем идут эвтектоидная зона (перлит) и переходная, доэвтектоидная (перлит и фер­рит). Чем ближе к сердцевине, тем больше в переходной зоне феррита и меньше перлита. За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до середины переходной (третьей) зоны.

Задача цементации – получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь благоприятное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка с низким отпуском, при которой на поверхности получается мартенсит, а в сердцевине сохраняются низкая твердость и высокая вязкость.

Рис. 7. Микроструктура цементованной стали

Такая термическая обработка обеспечивает твердость поверхностного слоя HRC60 – 64 у углеродистых сталей и HRC58 – 62 – у легированных. Твердость сердцевины – HRC25 – 35 (в зависимости от состава стали).

Для закалки цементованные детали нагревают до 820 – 850С с охлаждением в воде. Это обеспечивает измельчение зерна и закалку цементованного слоя, а также частичную перекристаллизацию с измельчением зерна сердцевины. Структура поверхностного слоя – мартенсит с небольшим количеством вторичных карбидов, твердость – HRC56 – 63.

При повышенных требованиях к свойствам деталей применяют двойную закалку или нормализацию и закалку. Первая закалка (или нормализация) – для измельчения зерна и ис­правления структуры перегретой стали (температура – 880 – 900°С), вторая закалка (неполная) – для получения мартенсита в поверхностном слое (температура – 760 – 780°С).

Цементованные стали после закалки обязательно под­вергают низкому отпуску при температуре 160 – 180°С.

Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных деталей вследствие образования в поверхностном слое остаточного напряжения сжатия и понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Цементованная сталь обладает высокой 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.

Детали, прошедшие улучшение (закалку с высоким от­пуском), нагревают в среде аммиака до 500 – 520°С и вы­держивают 24 – 60 ч. Предварительная термообработка необходима для получения повышенной прочности и вязкости сердцевины изделия. 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, полирование и доводку 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. Структура нитроцементуемого слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость деталей, например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальная прочность нитроцементуемой детали достигается только при оптимальном содержании в поверхностном слое углерода и азота.

Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цемента­цией она имеет следующие преимущества: более низкая тем­пература процесса и меньшее коробление изделий, выше сопротивление износу и коррозии. Процесс широко приме­няется на автотракторных заводах и все больше заменяет газовую цементацию. Например, на ВАЗе 95% деталей, проходящих химико-термическую обработку, подвер­гают нитроцементации.

Борирование – операция насыщения поверхностно­го слоя стали бором. Она обеспечивает высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Этой операции подвергают любые стали, но углерод и легирующие элементы уменьшают глубину борированного слоя, которая обычно достигает 0,1 – 0,2 мм. В поверхностном слое образуется борид железа, а в подпо­верхностном – борид железа и альфа-твердый раствор. Твер­дость поверхности – HV1800 – 2000 (более HRC72).

Борированию подвергают поверхности штампов для горячей штамповки, детали оборудования нефтяной и химической промышленности, например, втулки грязевых нефтяных насосов для повышения их устойчивости против абразивного изнашивания.