Химико-термической обработкой

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали

соответствующими элементами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и

др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой

температуре. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до

заданной температуры в твердой, газовой или жидкой среде, легко выделяющей

диффундирующий элемент в атомарном состоянии, выдержке при этой температуре и

последующем охлаждении. В отличие от термической обработки химико-термическая

обработка изменяет не только структуру, но и химический состав поверхностных

слоев, что позволяет в более широких пределах менять свойства стали.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

1) Выделения диффундирующего элемента в атомарном состоянии в результате

реакций, протекающих в насыщающей среде; 2) контактирования атомов

диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновения (растворения) в решетку железа (адсорбция); 3) диффузии атомов насыщающего

элемента вглубь металла.

Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа

неодинакова и зависит от состава и строения образующих фаз. При насыщении

углеродом или азотом, составляющим с железом твердые растворы внедрения,

диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые

растворы замещения.

Толщина диффузионного слоя х в зависимости от продолжительности процесса

при данной температуре обычно выражается параболической зависимостью.

Следовательно, с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно

уменьшается. Чем выше температура, тем больше толщина слоя за данный отрезок

времени. Толщина диффузионного слоя при прочих равных условиях тем больше, чем

выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла.

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при насыщении

железа (стали) тем или другим элементом, обычно указывается не полная толщина

слоя с измененным составом, а только глубина до определенной твердости или

структуры (эффективная толщина).

Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали

углеродом.

Цементацию с последующей закалкой и отпуском применяют для повышения

работоспособности деталей машин (шестерни, зубчатые муфты и втулки, пальцы,

ролики и т. д.), испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические и

переменные нагрузки и подверженных изнашиванию.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,1—0,18 % С).

Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием

углерода (0,2—0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина

изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость

после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки нередко с

припуском на шлифование 0,05—0,10 мм. Во многих случаях цементации

подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению,

защищают тонким слоем меди (0,02— 0,04 мм), которую наносят электролитическим

способом или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси

огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углеродов по глубине,

убывающей от поверхности к сердцевине детали (рис. 98, а). В связи с этим после

медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить

по толщине цементованного

слоя

(от поверхности к сердцевине) три зоны: заэвтектойдную (П+Ц2), эвтектойдную (П),

доэвтектойдную (Ф+П).

За эффективную толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной доэвтектоидной зон — до

0,40—0,45 % С или после закалки толщину до твердости HRC 50 или HV 500—600.

Концентрация углерода в поверхностном слое может составлять 0,8—1,2 %.

Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств

цементуемого изделия.

Цементация твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой

является твердый карбюризатор — древесный уголь (дубовый или березовый) в

зернах 3,5—10 мм. Для ускорения процесса цементации к древесному углю добавляют

активизаторы. Температура цементации в твердом карбюризаторе 910—930 °С,

выдержка составляет 6—15 ч (для слоя 0,7-1,5). В массовом производстве не

применяют.

Газовая цементация. Газовую цементацию осуществляют нагревом изделия в

среде газов, содержащих углерод. Ее широко применяют на заводах,

изготавливающих детали массовыми партиями.

Преимущества: точное получение заданной концентрации углерода в слое;

сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полней

механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая ТО

изделий, так как можно проводить закалку непосредственно из цементационной печи.

Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации,

является диссоциация СО:

2СО > СО2 + Сат;

Сат > Feγ > Feγ (С) — аустенит.

При выполнении процесса в шахтных печах для цементации применяют керосин,

синтин, спирты и т. д., каплями подаваемые в печь.

Для сокращения длительности процесса широко используют газовую

цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы

вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне

стали 1,2—1,3 % С, а затем углеродный потенциал атмосферы снижают до 0,8 % С. В

этот период концентрация углерода на поверхности снижается до 0,8 %.

Цементацию выполняют при 930—950 °С. Продолжительность цементации для получения слоя толщиной 0,7—1,5 мм при 930 С в муфельных (безмуфельных) печах

непрерывного действия составляет 6—12 ч, а в шахтных 3—10 ч.

Термическая обработка стали после цементации; свойства цементованных

деталей. Окончательные свойства цементованные изделия получают в результате

термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно

исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя,

получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические

свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое.

В большинстве случаев применяют закалку выше точки Ас3 (для сердцевины)

при 820—850 °С.

После газовой цементации используют закалку без повторного нагрева, а

непосредственно из цементационной печи после подсуживания изделий до 840—860

С. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины и не

приводит к измельчению зерна.

Иногда термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Первую

закалку (или нормализацию) с нагревом до 880—900 °С назначают для исправления

структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените

растворяется цементитная сетка, которая при быстром охлаждении вновь не

образуется. Вторую закалку проводят с нагревом до 760—780 СС для устранения

перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой

термической обработки заключается в сложности технологического процесса,

повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности

окисления и обезуглероживания.

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает

структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количеством остаточного

аустенита и избыточных карбидов в виде глобулей.

Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во

всех случаях является низкий отпуск при 160—180 °С, переводящий мартенсит

закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит.

Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC

60—64, а для легированной HRC58—61; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Сердцевина деталей из углеродистой стали имеет структуру сорбита, а из

легированных — бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Низкоуглеродистый

мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость

сердцевины. Твердость сердцевины обычно составляет HRC 30—40.