4.3. Термическая обработка чугунов

Отжиг чугуна проводят для снятия внутренних напряжений в отливках.

При этом в чугуне происходят структурные превращения улучщающие обрабатываемость, а внутренние напряжения перераспределяются и частично снимаются, что предотвращает последующую деформацию отливок при их механической обработке и в процессе эксплуатации. Технологические режимы отжига зависят от вида чугуна, массы и конфигурации детали и определяются по рекомендациям справочной литературы.

Нормализация чугуна – это термическая обработка с целью получения перлитной структуры, которая обеспечивает повышение твердости, прочности и износостойкости литых деталей. Нормализации подвергают отливки с ферритной и феррито-перлитной матрицей. Отливки нагревают до 850-950 °С, выдерживают 0,5-3 часа, а затем охлаждают на воздухе. В результате устраняется феррит и увеличивается дисперсность перлита. Твердость чугуна возрастает до 220…250 НВ.

4.4. Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка – это сочетание теплового и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали путем диффузионного насыщения (обогащения) его металлами и неметаллами из внешней активной среды.

В качестве активной среды используются газы, жидкости и твердые веще­ства, которые являются поставщиками диффундирующих элементов.

Возможно диффузионное насыщение поверхности детали неметаллами (углеродом, азотом, одновременно углеродом и азотом, бором, кремнием, серой) и металлами (хромом, алюминием, ванадием). Глубина диффузионного слоя зависит от температуры, времени насыщения и концентрации диффундирующего элемента.

Цементация – насыщение поверхностного слоя стальной детали углеродом.

Цементации подвергаются только низкоуглеродистые стали с массовой долей С менее 0,25 %. Цементация является подготовительной операцией, предшествующей закалке низкоуглеродистых сталей. Без цементации закалка таких сталей невозможна.

Температура цементации лежит в диапазоне 910-1050 °С.

Глубина цементованного слоя определяется назначением изделия и составляет 0,5-2 мм.

Вещество, поставляющее атомы углерода, называется карбюризатором. Карбюризаторы бывают твердые (древесный уголь), газообразные (метан) и жидкие (бензин, керосин).

Цементацию с последующей закалкой применяют для повышения твердости и износостойкости деталей с сохранением вязкой сердцевины.

В результате цементации и закалки поверхностный слой состоит из мартенсита.

Для снижения напряжений в поверхностном слое закаленные изделия подвергают низкотемпературному отпуску при 160-180 °С. Окончательная твердость поверхностного слоя составляет 60…64 HRC для углеродистых сталей и 58…62 HRC для легированных сталей. Твердость сердцевины обычно не превышает 35…45 HRC. На рис. 24 представлены режимы закалки цементированной стали.

Рис. 24. Режимы термической обработки

Цементированных изделий

Азотирование – насыщение поверхностного слоя азотом в парах ам­миака при температурах 500-700 °С.

Азотированию подвергают как стальные, так и чугунные детали, особенно из высокопрочных чугунов.

В результате насыщения железа азотом образуются соединения Fe₃N и Fe₄N, которые называются нитридами. Нитриды придают поверхностному слою твердость, превышающую твердость цементованного слоя.

Процесс азотирования более длительный, чем процесс цементации из-за меньшей подвижности атомов азота и продолжается 25-95 часов. Глубина азотиро­ванного слоя составляет 0,3-0,7 мм.

Цианирование и нитроцементация представляют собой процесс совместного насыщения поверхности изделий углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли (цианирование) или в газовой смеси, состоящей из науглероживающего газа (например, метана) и аммиака, содержащего азот (нитроцементация).

Цианирование проводят при температурах 820-960 °С в расплаве цианистого натрия NaCN. Продолжительность процесса 0,5-1,5 часа в зависимости от необходимой толщины насыщенного слоя, который колеблется от 0,15 до 0,35 мм.

После цианирования изделия закаливают, а затем проводят низкотемпературный отпуск. Твердость цианированного слоя после такой обработки 58…62 НRC.

Цианирование связано с использованием токсичных материалов, ухудшает санитарно–гигиенические условия труда, требует специальных мер предосто­рожности. Тем не менее, оно применяется в промышленности, поскольку протекает более кратковременно, вызывает меньшие деформации дета­ли, обеспечивает более высокую износостойкость и коррозионную стойкость ее поверхности (по сравнению с цементацией).

Нитроцементацию проводят в газовой среде, содержащей аммиак и метан, при температуре 850-870 °С в течение 2-10 часов с целью насыщения азотом и углеродом поверхностного слоя на глубину 0,25-1,00 мм.

После нитроцементации детали закаливают и отпускают. Твердость после такой обработки составляет 58…62 НRC.

Относительно низкая температура процесса не вызывает больших деформаций, поэтому нитроцементацию используют для деталей, склонных к короблению (например, шестерен). Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или Cl₂ образуются соединения хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация проводится в среде газовых хлоридов различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000-1200 ^oС) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000-1200 ^oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB₂) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.