35 Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка стали (ХТО) состоит в поверхностном насыщении стальных деталей различными элементами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом) для повышения поверхностной твердости, сопротивления изнашиванию, выносливости, окалиной и коррозионной стойкости. В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоёв. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Диффузионное насыщение неметаллами. Цементация (науглероживание) стали – химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистых (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900...950°С – твёрдым (цементация твёрдым карбюризатором), а при 850...900°С – газообразным (газовая цементация) углеродом. Цементацию проводят для получения высокой твёрдости поверхностного слоя при условии сохранения мягкой и вязкой сердцевины, а также для повышения износостойкости и предела выносливости стальных деталей, что обеспечивается термической обработкой после цементации (закалкой с низким отпуском).

Более широко применяют цементацию в газовых средах, как высокопроизводительный способ при массовом и серийном производстве. В качестве карбюризатора используют предельные и непредельные газообразные углеводороды, например: природный газ – метан (СН₄), пропан, бутан, которые при нагреве диссоциируются с выделением атомного углерода.

Детали нагревают до 900–950⁰С в специальных герметических закрытых печах, в которые подается карбюризатор.

При цементации твёрдым карбюризатором детали, насыщаемые углеродом, после предварительной очистки от ржавчины и жиров укладывают в металлические ящики и засыпают карбюризатором, состоящим в основном из древесного угля с добавлением углекислого бария (BaCO₃), соды (Na₂CO₃), углекислого кальция (СаСО₃) и крахмала в количестве, составляющем 10–40% массы угля. Крышку ящика для его герметизации обмазывают огнеупорной глиной. Продолжительность цементации в печи в зависимости от размеров ящика и количества загруженных деталей составляет 10–20ч. После цементации детали в ящике охлаждают вместе с печью или на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Цементации подвергают зубчатые колёса, шейки валов, плунжеры насосов, червяки, звездочки, ролики подшипников качения и другие детали.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода – 75–85%, 10–15% хлористого натрия, 6–10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850–860°С в течение 1,5–2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3–0,4 мм.

Азотирование стали – процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве её в среде аммиака (NH₃). Азотирование проводят для повышения твёрдости поверхностного слоя деталей, износ- и теплостойкость, а также коррозионной стойкости. Азотированию подвергают изделия, прошедшие термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и обработку резанием. На неазотируемые участки наносят электролитическое покрытие оловом. Внутренние резьбы и отверстия защищают обмазками. Детали укладывают равномерно в герметически закрытый муфель (реторту), который помещают в электропечь. В муфель из баллонов подаётся аммиак, который при нагреве разлагается, образуя атомарный азот. Азот, внедряясь в поверхность деталей, взаимодействует с железом с образованием нитридов (Fe₂N, Fe₄N). Процесс азотирования продолжается 3–90 ч, а последующее медленное охлаждение печи с деталями – 4–5 ч. Глубина азотированного слоя зависит от температуры и времени выдержки и колеблется в пределах 0,25–0,65 мм. Различают прочностное азотирование, которое проводят для повышения твёрдости, износостойкости и усталостной прочности, и антикоррозионное азотирование (декоративное) – для повышения коррозионной стойкости во влажной атмосфере и пресной воде.

Цианирование (нитроцементация) стали – процесс одновременного насыщения поверхности стального изделия азотом и углеродом. Цианированию (нитроцементации) подвергают детали из сталей, содержащих 0,2–0,4% углерода. Цианирование может производиться в твёрдых, жидких и газообразных средах. Твёрдое цианирование применяют крайне редко как менее эффективное по сравнению с жидким и газовым, наиболее часто используют цианирование в жидкой среде.

Детали, прошедшие механическую обработку, погружают в специальную ванну с расплавом солей, состоящим из 20–25% NaCN, остальное – NaCl и Na₂CO₃. После цианирования проводят закалку и низкий отпуск, в результате твёрдость полученного слоя составляет 59–63 HRCэ. Этот процесс называют высокотемпературным цианированием.

Борирование стали – химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоёв стальных изделий бором при температурах 900...950°С. Цель борирования – повышение твёрдости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе₂В, обладает весьма высокой твёрдостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) бурового и штампового инструментов.

Силицирование – процесс химико-термической обработки, состоящий в высокотемпературном (950–1100°C) насыщении поверхности стали кремнием. Силицирование придаёт стали высокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа. Силицированный слой отличается повышенной пористостью, толщина его 300–1000 мкм. Несмотря на низкую твёрдость 200–300 HV, силицированный слой обладает высокой износостойкостью после пропитки маслом при температурах 170–200 °C.

Диффузионное насыщение металлами. Алитирование стали проводят для повышения жаростойкости (окалиностойкости) деталей, работающих при температурах до 900⁰С.Алитирование деталей осуществляют в порошкообразной смеси, содержащей, % (массовая доля): алюминия 49, оксида алюминия 39 и хлористого аммония 12.

Диффузионное хромирование стали проводят с целью повышения жаро- и коррозионностойкости. Стали, содержащие более 0,3% углерода, при хромировании приобретают высокую твёрдость и износостойкость вследствие образования на поверхности карбидов хрома. Наиболее широко применяют газовое хромирование в среде газообразного хлора или смеси водорода и хлористого водорода.

Диффузионное цинкование применяется для повышения коррозионной устойчивости стали в маслах, бензине, атмосфере и газовых средах, содержащих сероводород при температурах 300...500 °С. Цинк – активный амфотерный металл и, следовательно, цинковые покрытия разрушаются в кислых и щелочных средах.

Многокомпонентное насыщение металлами и неметаллами. На данный момент всё большее распространение приобретает комплексное диффузное насыщение металла рядом элементов, например,хромоалитирование, карбохромирование, хромотитанирование и др. комплексное насыщение может производиться как последовательно, так и одновременно. Такой вид химико-термической обработки позволяет получать поверхности с уникальными сочетаниями свойств, которые привносят отдельные элементы.