8 Химико-термическая обработка

8.1.Основные сведения

Методы химико-термической обработки металлов являются одними из важнейших направлений изменения свойств поверхности, обеспечивая поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, теплостойкости и т.д.), а также повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмосферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости, жаростойкости, окалиностойкости и т.д.).

Методы химико-термической обработки включают две крупные группы диффузионных покрытий. Первая группа включает насыщение поверхности металлических изделий неметаллами, а также удаление неметаллов из поверхности. Такими неметаллами являются: углерод, азот, бор, водород, сера. В этой связи способы химико-термической обработки металлов и сплавов получили названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование, сульфидирование. Удаление неметаллов происходит при обезуглероживании, обезводороживании, деазотировании.

Насыщение может проводиться одним неметаллом, комплексно двумя или тремя неметаллами. Такими процессами являются: углеродоазотирование (низкотемпературное цианирование, низкотемпературная нитроцементация); азотонауглероживание (цианирование, нитроцементация); сульфоцианирование. Вторая группа процессов включает насыщение металлами и удаление металлов из поверхности.

Такими процессами являются: алитирование (насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом), силицирование (насыщение поверхности кремнием). Насыщение возможно любых металлических материалов любыми другими металлическими веществами, в том числе, например, его можно проводить титаном, ванадием, цинком, молибденом и другими элементами. Применяют покрытия двумя или тремя металлами, а также комплексно металлами и неметаллами одновременно или последовательно. В качестве примеров можно привести хромосилицирование, хромованадирование, карбохромирование и т.д. Примером удаления металлов можно назвать обесцинкование.

Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в химически активной среде, содержащей насыщающий компонент. При этом нагрев ведут до температур, обеспечивающих развитие: образование во внешней среде насыщающего вещества в виде легкоразлагающегося соединения или его атомарной формы; адсорбирование поверхностью активного насыщающего вещества; образование устойчивых межатомных связей между атомами насыщающего вещества и материала изделия с образованием твердых растворов, химических соединений, диффузии атомов в слое и развитие в нем фазовых и структурных преобразований, обеспечивающих достижение требуемого эффекта от насыщаемого изделия.

Технологические параметры конкретных процессов определяются на основе анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия между взаимодействующими компонентами.

8.2.Цементация стали.

Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20 - 0,25%). Примерами цементуемых сталей являются: 10, 15, 20, Ст.3, 20Х, 20ХН, 12ХН3А, 20Х2Н4А и др. Отдельную группу мелкозернистых легированных сталей для цементации составляют стали типа 18ХГТ, 25ХНТЦ и др. После цементации и окончательной термической обработки, заключающейся в закалке и низком отпуске, обеспечивается получение поверхностной твердости 56 – 64 НRС при сохранении вязкой сердцевины, что определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям.

Температурой цементации является 900 – 950 °С, хотя интенсивность насыщения непрерывно растет и при более высоких температурах до 1147 °С. Однако такие температуры не применяются в связи с опасностью сильного роста зерна стали и нетехнологичностью процесса (низкая стойкость печного оборудования, нагревателей и технологической оснастки).

Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и иногда в расплавах солей (жидкостная цементация). Твердый карбюризатор для цементации - это гранулированный древесный уголь или полукокс, пропитанные углекислыми солями бария или натрия. Детали упаковывают в стальные ящики с карбюризатором, закрывают крышкой и для герметизации обмазывают огнеупорной глиной. Цементация в твердом карбюризаторе идет за счет неполного горения угля в герметически закрытом ящике, в котором, кроме угля и насыщаемых деталей, имеется некоторое количество кислорода из атмосферного воздуха.

Углекислые соли бария и натрия являются своеобразными катализаторами процесса цементации в твердом карбюризаторе, поскольку они обеспечивают образование дополнительного количества окислителя при своем разложении при нагреве.

При газовой цементации в качестве карбюризаторов используют углеводородные газы, которые разлагаются в печи с образованием атомарного углерода и водорода.Атомарный углерод адсорбируется поверхностью сначала по механизму физической адсорбции, а затем - химической, в результате чего атомы углерода входят в кристаллическую решетку железа с образованием твердого раствора (аустенита). Слой нарастает во времени: при цементации в твердом карбюризаторе по 0,1 мм/час, при газовой 0,12- 0,15 мм/час.

Концентрация углерода в поверхностном слое возрастает до предельно возможной при температуре насыщения, что определяется диаграммой фазового равновесия. При медленном охлаждении с температуры цементации в поверхностном слое образуется структура, соответствующая высокоуглеродистой (заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной) стали с плавным переходом к сердцевине. Слой с такой структурой еще не обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для создания этих качеств требуется окончательная термическая обработка, заключающаяся в закалке с низкотемпературным отпуском.

Существует несколько вариантов технологии окончательной термической обработки после цементации. Стали, склонные к росту зерна после цементации подвергают промежуточной закалке или нормализации с нагревом до температур 850 - 880 ˚С для измельчения зерна сердцевины деталей, с последующим нагревом под окончательную закалку до температуры 760 - 780 ˚С. Среда охлаждения при закалке определяется маркой стали. Углеродистые стали охлаждают в воде, легированные - в масле. Стали, не склонные к росту зерна при цементации (18ХГТ, 25ХГТ и др.) подвергают непосредственной ступенчатой закалке с подстуживанием. После окончательной закалки отпуск проводят при температуре 160 - 200 ˚С.