16.1 Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев стальных деталей. Такой обработке часто подвергают детали с целью повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой и достаточно прочной сердцевины.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирование, а также диффузионная металлизация.

Кроме указанных видов обработки, также применяют хромирование (насыщение поверхности слоя хромом), силицирование (насыщение кремнием), борирование (насыщение бором).

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Цель цементации – получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при сохранении вязкой и мягкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости. Насыщенный углеродом поверхностный слой называется цементированным.

Цементации подвергают детали из углеродистой (иногда и легированной) стали, содержащей углерода от 0,01 до 0,25%.

Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, называются карбюризаторами. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. От вида применяемого карбюризатора цементация разделяется на твердую, жидкую и газообразную.

Твердая цементация (в твердом карбюризаторе) является наиболее старым процессом химико-термической обработки. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую (по массе) из древесного угля (70%), углекислого бария (20-25%) и углекислого кальция (3-5%). Добавление к древесному углю углекислых солей ускоряет процесс цементации.

Процесс цементации заключается в следующем: поступившую после механической обработки деталь (с припуском на последующую обработку) перед цементацией тщательно очищают от окалины, грязи, ржавчины, масла и просушивают. Поверхности, не подлежащие цементации, покрывают огнеупорной глиной в смеси с 5-10% асбестового порошка или же слоем меди в гальванических ваннах.

Если нельзя предохранить поверхность указанными выше способами, цементируют всю деталь, а затем дополнительно закаливают те места, которые должны обладать высокой твердостью или износоустойчивостью.

1 - ящик, 2 - металлическая крышка, 3 - контрольные

прутки, 4 - огнеупорная глина, 5 - детали, 6 - карбюризатор

Рисунок 16.6 Цементация изделий

Обрабатываемые детали укладывают в специальный ящик (рис.16.6), изготовленный из жаростойкой стали, в следующем порядке: на дно ящика 1 насыпают слой порошкообразного карбюризатора 6 толщиной 25-30 мм и плотно утрамбовывают. На карбюризатор укладываются детали 5 на расстоянии 15-30 мм друг от друга, а затем снова насыпают карбюризатор слоем толщиной 15-20 мм и утрамбовывают; после этого укладывают второй ряд деталей и т.д.

Одновременно с укладкой обрабатываемых деталей в ящик помещают контрольные прутки 3 диаметром 6-10 мм и длиной 250 мм из такого же материала, как и материал детали. Эти прутки называются «свидетелями». В дальнейшем по излому прутков определяют глубину науглероженного слоя.

Толщина верхнего слоя карбюризатора 30-40 мм. Ящик плотно закрывают металлической крышкой 2, места между крышкой и стенками ящика промазывают огнеупорной глиной 4, ставят в холодную печь и постепенно нагревают до температуры 850-920⁰С; более высокая температура может вызвать чрезмерное науглероживание поверхности, низкая температура замедляет процесс.

Цементация при температуре выше 950⁰С, но не более 1000⁰ допускается только для легированных сталей. Длительность выдержки и температура зависят от требуемой глубины науглероживаемого слоя, например, цементация, стали при температуре 900⁰С в течение 5ч дает науглероженный слой глубиной 0,4 – 0,5 мм, а в течение 10ч – 1,0-1,3 мм.

По окончании цементации ящики выгружают из печей, охлаждение деталей производится медленно, вместе с ящиками. После цементации детали подвергают обязательной термической обработке: закалке в воде при температуре 760-780⁰С и низкому отпуску при температуре 160-180⁰С.

Отпущенные детали после цементации охлаждают на воздухе, а затем закаливают при температуре 850-900⁰С и подвергают низкому отпуску (150-170⁰С).

Одним из существенных недостатков цементации в твердом карбюризаторе является значительная трудоемкость, загрязнение воздуха, невысокая производительность, большая длительность процесса. Для сокращения продолжительности цементации в качестве карбюризаторе применяют пасты, имеющие различный состав, например, кокса 50%, углекислого натрия или калия 40%, щавелевокислого натрия или калия 10% и др. Разведенную пасту наносят на детали и «свидетели» окунанием или кистью до получения слоя покрытия толщиной 2-3 мм, а затем высушивают при температуре 100-120⁰, после чего детали и «свидетели» укладывают в ящики.

Жидкостная цементация осуществляется путем погружения деталей в соляные ванны при температуре 830-850⁰С. Карбюризатором при этом являются расплавленные соли, содержащие 75-80% углекислого натрия (сода), 10-15% поваренной соли и 6-10% карбида кремния. Цементация происходит за счет атомарного углерода, выделяющегося в ванне при 820-850⁰С от взаимодействия солей с карбидом кремния. Длительность процесса составляет 0,5-2 ч. За 40-50 мин процесса глубина цементированного слоя не превышает 0,2 мм.

Цементации подвергают мелкие детали, глубина цементированного слоя не должна превышать 0,5-0,6 мм.

Преимуществом цементации в соляных ванных является равномерность нагрева и возможность непосредственной закалки после выемки из цементационной ванны. Процесс проходит быстрее, чем при цементации в твердой среде.

Газовая цементация заключается в насыщении поверхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродсодержащих газов. Газовую цементацию (в окиси углерода) впервые применил П.П.Аносов в 1837 г.

Газовую цементацию стальных деталей осуществляют в герметически закрытых камерах (муфелях) печей периодического или непрерывного действия путем нагрева при температуре 930-950⁰С в среде углеродосодержащих газов, например естественных, состоящих в основном из метана СН₄ и окиси углерода СО. Используют также жидкие карбюризаторы: бензол, пиробензол, осветительный керосин, синтин (продукт синтеза окиси углерода) и сжиженный природный газ.

Продолжительность процесса устанавливается в зависимости от требуемой глубины цементируемого слоя. Нагрев в газовом карбюризаторе и процесс насыщения поверхностного слоя являются более прогрессивными и экономичными по сравнению с твердой цементацией.