Химико-термическая обработка металлов и сплавов

Студент должен

Знать:

• Основные процессы химико-термической обработки;

• Назначение процессов химико-термической обработки

Химико-термическая обработка - процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств.

Химико-термическая обработка повышает твердость поверхности ста­ли, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.

Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой тол­щины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки является их малая производительность.

Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Химико-термическая обработка состоит из трех процессов: диссоциации - получения насыщающего элемента в активном атомарном со­стоянии; абсорбции - поглощения активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла; диффузии - перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.

Необходимо, чтобы скорости всех трех процессов были обязательно согласованы, а для абсорбции и диффузии требуется, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя либо твердые растворы, либо химические соединения. Химико-термическая обработка невозможна, если основной металл и насыщающий элемент образуют механические смеси. Глубина проникновения диффундирующего элемента зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от состава стали, главным образом наличия легирующих элементов.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом, цианирование (углеродом и азотом), борирование (бором), алитирование (алюминием) и др.

Цементация - процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цементация придает поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках- шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др.

При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930—950°С в науглероживающей среде (твердой, жидкой или газообразной), выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, а затем медленно охлаждают. После этого ее подвергают нормализации, закалке и отпуску.

Науглероживающей средой служат твердые карбюризаторы (мелкий древесный уголь в смеси с углекислым барием), жидкие соляные ванны (смесь поваренной соли, углекислого натрия, цианистого натрия, хлористого бария) и газы, содержащие углерод.

Азотирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости или устойчивости против коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, .чем цементованного, и сохраняется до высоких температур 400—600°С, тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200—250°С. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие алюминий, хром, титан, например 35ХМЮА, 40Х, 18ХГТ, 40ХНМА и др.

Перед азотированием улучшают механические свойства, деталей, подвергая их закалке и высокому отпуску. Толщина азотированного слоя со­ставляет 0,2—0,6 мм. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируется. Азотированию подвергают детали автомобилей, (шестерни, коленчатые валы), а также штампы, пресс-формы и др. Азотирование приводит к небольшому увеличению размеров. Поэтому после азотирования детали подвергают окончательному шлифованию (например, повторно шлифуют шейки коленчатых валов) со снятием слоя 0,02—0,03 мм.

Азотирование обычно проводят в среде аммиака при температуре 500—600°С. Аммиак разлагается с выделением активного азота в атомарном состоянии: 2NH₃→2N + 6H. При этих температурах в герметически закрытом муфеле, вставленном в печь, азот внедряется в поверхностный слой стали и вступает в химическое взаимодействие с легирующими элементами, образуя нитриды хрома, молибдена, вольфрама и др. Нитриды легирующих элементов повышают твердость стали до HRC 70. Обычные кон­струкционные стали после азотирования имеют меньшую твердость, а твердость углеродистых сталей совсем невысока, так как в них не образуются специальные нитриды. Поэтому углеродистые стали подвергают только антикоррозионному азотированию.

Нитроцементация - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в газовой среде. Основой газовой среды служит эндотермический газ (эндогаз), состоящий из азота (40%), водород (40%) и окиси углерода (20%). При нитроцементации детали нагревают до 850—870°С в среде эндогаза с добавлением природного газа (5—15%) и аммиака (5%) и выдерживают в течение 4-10 ч. Глубина нитроцементованного слоя 0,2—0,8 мм. Она зависит от температуры процесса и времени выдержки. С повышением температуры содержание азота в слое уменьшается, а углерода - до определённой темпера туры возрастает, а затем несколько уменьшается.

После нитроцементации детали подвергают закалке и низкому отпуску при 160-180°С до твердости HRC 58-64.

Нитроцементуют детали сложной формы, подвергающиеся износу (зубчатые колеса), склонные к короблению. Нитроцементация имеет существенные преимущества перед газовой цементацией благодаря более низкой температуре. процесса (на 70—90°С) и меньшей толщине слоя, что обеспечивает меньшие деформации и коробление детали. Нитроцементацию широко применяют в автомобильном и тракторном производстве.

Цианирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN.

Для получения слоя толщиной до 0,3 мм цианирование ведут при 820- 860°C (низкотемпературное цианиронание) в течение 0,5—1,5 ч. Затем детали закаливают непосредственно из ванны и подвергают низкому отпуску (180-200°С). Твердость цианированного слоя после термообработки НRC 58-62. Низкотемпературному цианированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущей стали. Низкотемпературное цианирование применяют для упрочнения мелких деталей.

Цианировэнный слой по сравнению с цементованным имеет более высокую износостойкость.

Для получения слоя большей толщины (0,5- 2 мм) применяют высокотемпературное цианирование при 930—960°С. Продолжительность процесса 1,5—6 ч. После цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают и подвергают низкому отпуску. Высокотемпературное цианирование применяют для деталей из средне- и низкоуглеродистых, а также легированных сталей.

Процессы цианирования в сравнении с цементацией более производительны, обеспечивают меньшую деформацию и коробление деталей сложной формы и большую сопротивляемость износу и коррозии. Недостаток цианирования - высокая стоимость и ядовитость цианистых со­лей.

Борирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в борсодержащей среде (бура, треххлористый бор и др.).

Борирование проводят при температуре 850— 950°С в течение 2—6 ч. Для борирования можно использовать низко- и среднеуглеродистые стали (20. 40. 45, 40Х, З0ХГС и др.). Борированный слой толщиной 0,1—0,2 мм имеет высокую твердость, износостойкость, в особенности в абразивной среде, коррозионную стойкость. Борирование применяют для повышения износостойкости деталей .Нефтяных насосов, турбобуров, штампов, пресс-форм и др. Борирование повышает стойкость деталей в 2—10 раз. Борированные слои обладают высокой хрупкостью.

Диффузионная металлизация процесс химико-термической обработки, при котором происходит насыщение поверхностного слоя стали различными металлами (алюминий, хром, цинк и др.) и их комплексами. При насыщении поверхности стали другими металлами образуются твердые растворы замещения, поэтому диффузия их осуществляется труднее, чем диффузия углерода или азота.

Рис. 1.46

Диффузионное насыщение поверхности стали. осуществляют при температурах 700—1400°С следующими способами:

1. Твердой диффузионной металлизацией, при которой металлизатором является ферросплав (феррохром, ферросилиций, ферроалюминий и т. д.) с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). Металлизатор, реагируя с НС1 или Сl₂, образует летучее соединение хлора с металлом (например:AlCl₃, CrCl₂ и т. д.). В результате контакта с поверхностью металла летучее соединение хлора с металлом диссоциирует с образованием свободных атомов.

2. Жидкой диффузионной металлизацией, которую проводят погружением детали в расплавленный металл с низкой температурой плавления (цинк, алюминий).

3. Газовой диффузионной металлизацией, выполняемой в газовой среде, содержащей хлориды различных металлов.

Алитирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 0,1—0,2% С, алюминием. Темпера­тура алитирования 700—1100°С. Толщина алитированного слоя 0,2—1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%. Алитирование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируют чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высокой температуре.

Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах. Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред и т. п.

Поверхностное упрочнение стали. Для повышения твердости поверхностных слоев, предела выносливости и сопротивляемости истиранию многие детали машин подвергают поверхностному упрочнению. Существует три основных метода поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, упрочнение пластическим деформированием и рассмотренная выше химико-термическая обработка.

Основное назначение поверхностной закалки - повышение твердости, износостойкости и предела выносливости, разнообразных деталей (зубьев шестерен, шеек валов направляющих станин металлорежущих станков и др.). Сердцевина детали после поверхностной закалки остается вязкой и хорошо воспринимает ударные и другие нагрузки. В промышленности применяют следующие способы поверхностной закалки: газопламенную закалку; закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); закалку в электролите. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали с последующим быстрым охлаждением для получения мартенсита.

Газопламенная закалка состоит из нагрева поверхности стальных деталей ацетилено-кислородным пламенем и быстрого охлаждения их водяным душем. Поверхностный слой детали нагревается ацетилено-кислородным пламенем до температуры закалки за очень короткий проме­жуток времени, в течение которого сердцевина металла не успевает прогреться до критической точки и поэтому остается при охлаждении неза­каленной и мягкой. В зависимости от назначения детали глубина закаленного слоя может быть равной 2,5—4.5 мм. а его твердость составляет HRC 56—58. Деталь после закалки остается чистой, без следов окалины и обезуглерожи­вания. Газопламенную закалку применяют в основном в индивидуальном производстве, и при ремонте для закалки изделий с протяженными поверхностями.

Индукционный нагрев ТВЧ наиболее распространенный, производительный и прогрессивный способ закалки деталей разнообразной конфигурации. Кроме того, к преимуществам этого способа относят возможность полной автоматизации процесса закалки; отсутствие выгорания углерода и других элементов, а также заметного окисления и образования окалины; достаточно точное регулирование глубины закаленного слоя.

Рис. 1.47 Схема нагрева ТВЧ

Переменный электрический ток подводят к индуктору 1 (кольцеобразно согнутой медной трубке). Деталь 2 помещают в индуктор. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле 3. индуктирующее в поверхностном слое детали электродвижущую .силу (эдс). Под действием эдс в металле возникают электрические вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев поверхности детали до высокой температуры. Это обеспечивает высокую скорость нагрева (в течение нескольких секунд) и позволяет производить местный нагрев. Охлаждение детали обычно душевое, для чего на внутренней поверхности индуктора имеются многочисленные отверстия, через которые после окончания нагрева на поверхность детали подается вода.

Закалка в электролите основана на том, что при пропускании постоянного тока через элекролит (5—10%-ный водный раствор кальцини­рованной соды) на катоде (деталь) образуется тонкий слой (газовая оболочка) из мельчайших пузырьков водорода. Из-за плохой электропроводимости пузырьков водорода ток сильно возрастает и катод (деталь) нагревается до заданной температуры, после чего закаливается при отключении тока в том же электролите. Этот метод применяют, например, для закалки стержней клапанов автомобильных и тракторных двигателей.

Упрочнение пластическим деформированием - прогрессивный технологический процесс, приводящий к изменению свойств поверхностных слоев металлического изделия. При этом способе пластически деформируют только поверхность изделия обкаткой роликами, ударами шариков или дроби. Чаще применяют дробеструйную обработку, при которой поверхность изделия подвергается ударам быстролетящих круглых дробинок размером 0,2—1,5 мм, изготовленных из стали или белого чугуна. Обработку выполняют в дробеметных установках.

Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых имеет ряд технологических особенностей. Эти особенности заключаются в различии температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других - ниже, чем у углеродистой стали.

Для легированных сталей требуется несколько большее время выдержки, так как они обладают худшей теплопроводностью. Длительная выдержка необходима также для получения лучших механических свойств, поскольку она обеспечивает полное растворение легированных карбидов в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической скорости закалки. Практически многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. У высоколегированных сталей, если они к тому же содержат большое количество углерода, способность к самозакаливанию выражена очень сильно, у низколегированных и малоуглеродистых сталей - слабее.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, широко используемые для изготовления режущего инструмента.

Вольфрам в быстрорежущей стали - основной легирующий элемент. Благодаря его высокому содержанию закаленная сталь не теряет режущей способности при высоких температурах. Вольфрам придает быстрорежущей стали красностойкость.

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске, заключающийся в том, что если отпуск такой стали повторить несколько раз, то можно обеспечить полное или почти полное превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это несколько увеличивает твердость по сравнению с закаленным состоянием.

Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.

После закалки изделия из быстрорежущей стали обязательно подвергают отпуску. Отпуск таких сталей имеет свои особенности. Как правило, изделия подвергают многократному отпуску (два-три раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С для стали Р18 с выдержкой 1 ч. Если после закалки применяют обработку холодом при температуре -80°С, то выполняют только один отпуск. Объясняется это тем, что при указанной отрицательной температуре в быстрорежущих сталях заканчивается бездиффузионное мартенситное превращение - основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.