19. Хіміко-термічна обробка сталі. Цементація в твердому карбюризаторі

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називається процес дифузійного насичення поверхні сталевих деталей одним або декількома елементами (ву­глецем, азотом, алюмінієм, хромом і ін.) шляхом нагріву деталей до заданої температури в твердому, газовому або рідкому середовищі з подальшою витримкою при цій температурі і охолодженням.

Цей процес на відміну від термічної обробки змінює не тільки структуру сталі, але і її хімічний склад в поверхневому шарі. В результаті ХТО забезпе­чується збільшення зносостійкості, корозійної стійкості, втомної міцності.

Процес хіміко-термічної обробки складається з наступних основних ста­дій: дисоціації, абсорбції, дифузії.

Д исоціація є процесом розпаду молекул на активні атоми дифундуючого елементу, наприклад:

Абсорбція — є процесом поглинання поверхнею активних атомів. Цей процес відбувається за умови розчинення атомів зміцнюючих елементів в ос­новному металі.

Дифузія — проникнення атомів насичуючого елементу в глибину мета­лу. Основною величиною, що визначає швидкість дифузії, є коефіцієнт Д під яким розуміють кількість речовини, дифундуючого елементу через одиницю площі в одиницю часу. Він залежить від температури і концентрації, збіль­шення яких підвищує дифузію.

Хіміко-термічна обробка є суміщеною зміцнюючою обробкою і в порів­нянні з поверхневим гартуванням ХТО має наступні переваги: не залежить від конфігурації деталей, забезпечує більшу відмінність властивостей в пове­рхневому шарі і серцевині. Магніто-термохімічна обробка це така ж техноло­гія, як ХТО тільки проводиться в зовнішньому магнітному полі.

Відомі наступні види хіміко-термічної обробки: цементація; азотування; ціанування; дифузійне насичення сталей хромом, алюмінієм, кремнієм і бором.

Цементація — процес насичення поверхні сталевих деталей вуглецем при нагріві їх в вуглецевому середовищі — карбюризаторі.

Цементація і подальша термічна обробка (гартування та низький від­пуск) призначені для отримання в поверхневому шарі високої твердості і зносостійкості з підвищенням межі контактної витривалості і межі витрива­лості при вигині та крученні. Цементація широко застосовується при вигото­вленні зубчастих коліс та інших деталей.

Цементації піддають низьковуглецеві сталі 15, 20, 15Х, 18ХГТ, 18ХНМА, 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА з метою збереження у деталей в'язкої серце­вини. Леговані сталі застосовуються для відповідальних і важко навантаже­них деталей. Вони забезпечують створення в'язкої і досить міцної серцевини, що виключає продавлювання поверхневого шару при значних контактних навантаженнях.

Існують два основні способи: цементація в твердому карбюризаторі і га­зова цементація.

Цементація в твердому карбюризатори . У металевий ящик укладають­ся деталі з подальшою засипкою-карбюризатором (рис. 4.10). Карбюризатор готують у вигляді гранульованих зерен розміром 3-10 мм. В якості твердого карбюризатора використовуються різні суміші (табл. 4.3), основним компо­нентом яких є деревне вугілля, а також вуглекислі солі барію і кальцію.

Ящик, закритий кришкою, яка герметизується вогнетривкою глиною, нагрівають і витримують в печах при температурі вище Ас₃ (930-950°С).

Кисень повітря, що є в ящику, з'єднуючись з вуглецем, утворює окис ву­глецю по реакції:

О кис вуглецю при контакті з сталевими деталями розкладається за реак­цією.

Атомарний вуглець дифундує в поверхневі шари деталі. Вуглекислі солі, що входять до складу карбюризатора, є хорошими активаторами процесу і самі розкладаючись, забезпечують отримання додаткового атомарного вуг­лецю за реакціями:

Процес цементації в твердому карбюризаторі досить тривалий, оскільки середня швидкість цементації при температурах 930-950°С приблизно рівна 0,1 мм/год.

Цементація в твердому карбюризаторі, не дивлячись на низьку ефектив­ність процесу, широко застосовується в серійному, дрібносерійному і одини­чному виробництві, а також при ремонті.

Газова цементація вперше запропонована і практично застосована П.П.Аносовим в тридцятих роках IX століття. Вона знайшла широке застосу­вання в серійному масовому виробництві і в порівнянні з цементацією в твердому карбюризаторі має наступні переваги: значно прискорюється про­цес насичення, збільшується продуктивність праці, створюється можливість автоматизації процессу та гартування безпосередньо з нагріву цементації.

Газова цементація здійснюється в стаціонарних або методичних конвеє­рних печах. Газ для цементації готують окремо і подають в реторту цемента­ції. Газами для цементації є окиси вуглецю і газоподібні вуглеводні. Атомар­ний вуглець утворюється за наступними реакціями:

— з окису вуглецю:

— з неграничних вуглеводів метилену СН₂, етилену СгН»: С„Н_2п -> пС + пН₂. *

Найбільше застосування знаходять граничні вуглеводні: метан, етан, пропан, а з них метан у вигляді природного газу (77-97% СНД У той же час природний газ не можна вважати оптимальним цементуючим середовищем, оскільки при його використовуванні важко забезпечити певну концентрацію вуглецю в цементованому шарі. Тому в даний час широко упроваджують ен­дотермічну атмосферу (ендогаз), одержувану неповним спалюванням вугле­водневих газів. Застосування ендотермічної атмосфери дає можливість авто­матично регулювати ступінь насичення вуглецем, а також механізувати і ав­томатизувати процеси цементації і подальшої термічної обробки деталі.

Остаточні властивості цементована деталь набуває після проведення те­рмічної обробки. В результаті на поверхні виходить твердий шар високо вуг­лецевого мартенситу з карбідами, а в серцевині зберігається низька твердість і висока в'язкість, які забезпечуються феритом і перлітом для низьковуглеце­вої сталі і маловуглецевим мартенситом з феритом для легованих сталей.

Перше гартування (або нормалізація) подрібнює структуру серцевини і усуває цементитну сітку, друге гартування забезпечує появу в поверхневому шарі структури дрібноголчастого мартенситу із зернами надмірного цемен­титу, що і визначає високу твердість вуглецевого шару. Відпуск при 150— 200°С знімає внутрішні напруги. Цей спосіб термічної обробки є складним і застосовується для відповідальних деталей.

Найпоширенішою термічною обробкою після цементації є одинарне га­ртування з температури 780-850°С і низький відпуск при 150-200°С. При цьому відбувається повна перекристалізація в поверхневому шарі і часткова — в серцевині деталі.