2.5 Химико-термическая обработка металлов и сплавов

2.5.1 Общие сведения. Химико-термическая обработка металлов и сплавов является разновидностью поверхностного упрочнения материалов.

В автомобилестроении нередко требуются детали с вязкой сердцевиной и твердым поверхностным слоем. Для этого применяют поверхностное упрочнение материала.

Способы поверхностного упрочнения:

• поверхностная закалка;

• химико-термическая обработка;

• пластическое деформирование;

• диффузионная металлизация.

2.5.2 Поверхностная закалка.

Различают следующие методы поверхностной закалки:

• электротоком, индуцируемым в поверхностных слоях детали;

• пламенем ацетиленокислородной или газовой горелки;

• в расплавленных металлах или солях;

• в электролитах;

• лучом лазера

Все методы поверхностной закалки заключаются в быстром нагревании детали выше критических точек только поверхностного слоя с последующим охлаждением.

Поверхностной закалке подвергают углеродистые стали с содержанием углерода 0,4% и выше. При меньшем содержании углерода поверхностный слой не приобретет необходимой твердости.

Современным, продуктивным и рациональным методом поверхностной закалки является индукционное нагревание токами высокой частоты (ТВЧ). Для этого используют специальное оборудование – высокочастотные генераторы (частота от 50 до 5000 Гц, и даже до 15000Гц) или ламповые генераторы. Сложность – необходимо для каждой детали создать индуктор индивидуальной формы для равномерного прокаливания.

Преимущества высокочастотного нагревания:

• высокая производительность;

• отсутствие выгорания углерода и других химических элементов;

• отсутствие заметного окисления и образования окалины;

• минимальное коробление;

• возможность регулирования глубины закаленного слоя.

2.5.3 Химико-термическая обработка стали.

Этот вид обработки по сравнению с поверхностной закалкой имеет следующие преимущества:

• форма деталей не важна;

• большая разница свойств сердцевины и поверхностного слоя детали;

• есть возможность устранения последствий перегрева.

При химико-термической обработке деталь помещают в среду, богатую химическим элементом, которым насыщают металл. Чаще всего это газ. При этом происходят три процесса:

1. диссоциация (распад молекул газа с образованием активных атомов), например:

2СО → СО₂ + С или NН₃ → ЗН + N

2. абсорбция — поглощение (растворение активных атомов) поверхностью металла;

3. диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого концентрация диффундирующего химического элемента наибольшая.

Продолжительность процесса химико-термической обработки определяется требуемой глубиной диффузионного слоя.

К процессам химико-термической обработки стали относят:

• цементацию;

• азотирование;

• цианирование;

• диффузионную металлизацию.

Цементация стали. При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получают твердый высокоуглеродистый поверхностный слой. Цементируют, как правило, низкоуглеродистую сталь. Поэтому сердцевина детали получается мягкой и вязкой.

Различают твердую и газовую цементации.

Твердая цементация заключается в том, что цементируемые детали помещают в емкость, наполненную науглероживающим веществом (карбюризатором). В качестве карбюризатора обычно используют древесный уголь. Кислород, присутствующий в воздухе, при температуре 900—950°С соединяясь с углеродом карбюризатора, образует окись углерода (СО). Однако при данных температурных условиях оксид углерода неустойчив и при контакте с металлической поверхностью разлагается:

2СО →СO₂ + С

Атомарный углерод поглощается поверхностью детали.

Добавление к карбюризатору углекислых солей (ВаСO₃, Nа₂СO₃, К₂СO₃) в количестве 10—30% активизирует процесс.

Процесс твердой цементации требует значительного времени (до нескольких десятков часов), что является его недостатком, который устраняется при газовой цементации. Через герметически закрытую камеру печи, куда помещают детали, непрерывно проходит цементирующий газ. Цементирующими газами являются оксид углерода и газообразные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан и пр.). Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:

2СО →СO₂ + С

С_nН_2n → 2nН + пС

С_nН_2n+2 → (2п + 2)Н + пС

Цементацию ниже критической точки Ас₁ не проводят, так как α-железо практически не растворяет углерод, а на детали образуется лишь поверхностная корочка цементита ничтожной толщины. Повышение же температуры цементации резко увеличивает глубину цементирующего слоя.

Содержание углерода в поверхностном слое определяется при данной температуре пределом растворимости углерода в аустените, т. е. линией диаграммы состояния железо—углерод. Следовательно, чем выше температура цементации, тем больше содержание углерода на поверхности детали (но не превосходит 2%).

Цель цементации — получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине — не достигается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Продолжительность газовой цементации для получения слоя толщиной 0,7—1,5 мм при температуре 930°С составляет 6—12 ч. Примеры режимов термической обработки показаны на рисунке 2.12. Обычно закалку производят с цементационного нагревания. Иногда после некоторого подстуживания и обработки холодом (рисунок 2.12, а).

Этот режим самый экономичный, однако, он сохраняет крупное зерно поверхностного слоя и сердцевины.

Режим, при котором после цементации производят медленное охлаждение, а затем дается закалка с повторного нагревания (рисунок 2.12, б), или даже двойная закалка (первая выше температуры Ас₃, для сердцевины, вторая – выше температуры Ас₁, для поверхности) – (см. рисунок 2.12, в), что обеспечивает лучшие механические свойства детали.

Во всех случаях цементированные стали после закалки для снятия внутренних напряжений подвергают отпуску при низкой темпервтуре (150 – 200°С). В результате такой обработки поверхность легированных сталей должна иметь твердость 58–62 HRC, а сердцевина — 25–35 HRC; углеродистых сталей – менее 20 HRC.

Цементации подвергают детали, работающие в узлах трения и испытывающие ударные нагрузки.

Рисунок 2.12 Режимы термической обработки при цементации деталей

Азотирование стали. Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Азотирование применяют для повышения твердости, износоустойчивости, усталостной прочности, коррозионной стойкости. Твердость азотированного слоя значительно выше, чем цементированного.

Так как азотированный слой без какой-либо последующей термической обработки приобретает высокую твердость, а размеры деталей после азотирования изменяются мало, то в отличие от цементации азотирование проводят на готовых деталях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точных размеров.

Азотирование обычно проводят при температуре 500–600°С. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали для азотирования. В реторту из баллона поступает с определенной скоростью аммиак, который разлагается:

2NH₃ → ЗН + 2N

Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов:

• температуры азотирования;

• продолжительности азотирования;

• состава азотируемой стали.

Азотированию подвергаются среднеуглеродистые стали, легированные стали, содержащие такие химические элементы, как Cr, Mo, V, W, А1. Этим добиваются особо высокой твердости и износостойкости.

Для получения упрочняющего слоя толщиной 0,3–0,6мм азотирование должно продолжаться 24–90ч.

Цианирование стали. Цианированием называют совместное насыщение поверхности стали углеродом и азотом вследствие окисления расплавленных цианистых солей. Изделие нагревают до температуры 820–860°С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. Продолжительность цианирования в зависи­мости от требуемой глубины слоя составляет 30–90мин.

На состав и свойства цианированного слоя оказывает влияние температура. Ее повышение увеличивает содержание углерода в слое, снижение – увеличивает содержание азота.

По сравнению с цементированием цианированный слой обладает более высоким сопротивлением изнашиванию, большей твердостью, высокой коррозионной стойкостью. Цианирование также повышает усталостную прочность детали.

Более низкая температура процесса цианирования и меньшая его продолжительность не приводит к росту зерна, как это бывает при цементации. Поэтому после цианирования сразу производят закалку.

Твердость цианированного слоя после термической обработки 58–62 НRС, толщина слоя 0,15–9,3мм.

Разновидностью цианирования является нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом при температуре 840–860°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4–10ч.

Диффузионная металлизация – диффузионное насыщение поверхностных слоев стали различными металлами. К диффузионному насыщению относятся следующие процессы:

• алитирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали алюминием при температуре 700–1100°С для получения высокой стойкости против окалины путем образования на поверхности пленки окиси алюминия;

• силицирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали кремнием при температуре 800–1100°С для повышения износостойкости и коррозионной стойкости;

• цинкование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали цинком при температурах 300–500 и 700–1000°С в расплаве цинка, порошке или парах цинка для повышения коррозионной стойкости стали;

• хромирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом при температуре 900–1200°С для повышения коррозионной стойкости, твердости и износостойкости (применяют для деталей, работающих в агрессивных средах;

• титанирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали титаном;

• хромоалюминирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом и алюминием при температуре 900–1200°С;

• хромосилицирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали хромом и кремнием при температуре 900–1200°С;

Как и при других видах химико-термической обработки, диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

Одним из основных свойств диффузионно-металлизированной поверхности (хромированной, алитированной или силицированной) является высокая жаростойкость. Поэтому жаростойкие детали для рабочих температур до 1000–1100°С изготовляют из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.