17.6. Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали заключается в диффузионном насыщении (при повышенных температурах) поверхностного слоя стальных изделий различными элементами с целью направленного изменения химического состава слоя и свойств изделий.

От поверхностной закалки данный вид обработки отличает­ся тем, что предварительно производится насыщение по­верхности различными элементами (С, N, Al, Si, Сг и др.) путем их диффузии. Проникая в основную решетку метал­ла, атом элемента образует твердый раствор внедрения или замещения либо химическое соединение.

Цементация заключается в поверхностном насыщении малоугле­родистой стали (С < 0,2 %) углеродом с целью получения летали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. В результате диффузии углерод внедряется в поверх­ностный слой детали на глубину 1…2 мм. Содержание уг­лерода в поверхностном слое можно довести до 2 %.

Цементация производится при температурах 900…950 ^оС и сопровождается последующей закалкой и отпуском.

Различают цементацию в твердой, в жидкой и в газообразной средах:

а) цементация в твердой среде (древесный уголь и углекислый барий в соотношении 5:1)

BaCO₃ = BaO + CO_{2 ,} CO₂ + C = 2CO,

BaCO₃ + C = BaO+2CO, 2CO = CO₂ +C.

На поверхности СО разлагается: CO₂ уходит в воздух, а углерод в атомном состоянии диффундирует в кристаллическую решетку поверхностного слоя;

б) цементация в жидкой среде (производится в расплаве − соляной ванне, состоящей из NaCl, KCl, BaCl₂ и NaCN). Применяется для мелких деталей;

в) цементация в газообразной среде. Газы образуются в результате гидролиза керосина, бензола и др. Соприкасаясь с нагретым металлом, они разлагаются с выделением углерода

СН₂ = 2Н₂ + С.

Цементация в газообразной среде отличается высокой механизацией и автоматизацией. Значи­тельно повышается производительность и качество цемен­тации, но требуется более сложное оборудование.

Азотирование заключается в поверхностном насыщении металла азотом путем длительного выдерживания ее при нагреве до 600…650 ^оС в атмосфере аммиака

2NH₃ = 2N + 3H₂.

Температура, при которой происходит азотирование, ни­же, чем при цементации, в результате изделия не коро­бятся при охлаждении, а их сердцевина остается вязкой без дополнительной термической обработки. Процесс достаточно длительный (60…80 час) для получения глубины слоя до 1 мм. Высокая твердость получается за счет образования различных твердых соединений с Fe, Fl, Cr и др., более твердых, чем карбиды. Высокая коррозионная и износостойкость.

Цианирование (нитроцементация) − одновременное насыще­ние металла азотом и углеродом. Оно производится для повышения износоустойчивости и усталостной прочности мелких и средних деталей.

а) цианирование в жидкой среде, который представляет собой расплав NaCO_3, NaCl, NaCN, KCN;

б) цианирование в твердой среде (древесный уголь и желтая кровяная соль K₄Fe(CN₆)3H₂O) при 500…800 ^оС;

в) цианирование в газообразной среде (смесь метана, СО, Н₂). Способ токсичен, но свойства получаются лучше.

Диффузионная металлизация заключается в насыщении стали металлами или металлоидами для повышения коррозионной стойкости при действии различных агрессивных сред (вода, кислота):

а) алитирование − насыщение алюминием с образованием твердого раствора Al в Fe. Применяется для деталей, работающих при высоких температурах;

б) хромирование – насыщение хромом. Применяется для сталей с содержанием углерода не более 0,2 %. Производится для повышения окалиностойкости (до 800 ^оС), коррозионной стойкости в среде пара, в пресной и морской воде, в кислотах, особенно в азотной кислоте;

в) силицирование – насыщение кремнием. Применяется для деталей, работающих в условиях химической агрессии;

г) борирование – насыщение бором. Применяется для обработки втулок грязевых насосов и других деталей, подвергающихся истирающему абразивному износу. Диффузионный слой состоит из боридов FeB и Fe₂B;

д) сульфоцианирование сопровождается одновременным насыщением стальных деталей серой, углеродом и азотом. Применяется для упрочнения фрикционных деталей.