6. Химико-термическая обработка стали

6.1. Общие сведения

Химико-термическая обработка (ХТО) – это технологический процесс, заключающийся в насыщении поверхностного слоя стали каким-либо элементом при высокой температуре с последующим термическим воздействием, в результате чего происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств. Она применяется для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от коррозии.

Основными стадиями ХТО являются диссоциация, абсорбция и диффузия.

Диссоциация – выделение активных диффундирующих элементов в результате протекания химических реакций в исходной среде. Например, СОСО₂+С; 2NH₃3H₂+2N, и т. д.

Абсорбция – захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы поверхностного слоя насыщаемого металла, имеющие направленные наружу свободные связи, присоединяют атомы диффундирующего элемента, в результате чего возникает градиент концентрации, являющийся движущей силой последующей стадии процесса.

Диффузия – проникновение насыщающего элемента вглубь насыщаемого металла, сопровождаемого образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Поверхностный слой изделия, насыщенный диффундирующим элементом, называется диффузионным слоем. Металл, расположенный под диффузионным слоем, называется сердцевиной.

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами являются наиболее распространенными в промыш­ленности процессами ХТО в связи с тем, что эти элементы легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения, сравнительно быстро диффундируют на значительную глубину.

6.2. Цементация

Целью цементации является достижение на поверхности стальной детали высокой твердости и износостойкости с одновременным сохранением ее вязкой сердцевины, что осуществляется насыщением поверхностного слоя изделия углеродом. Поэтому для цементации используются стали с низким (0,08…0,25 %) содержанием последнего. После цементации сталь подвергается закалке и низкому отпуску. В результате концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет 0,8…1 %, а ее структура представляет низкоотпущенный мартенсит с мелкими сфероидальными карбидами.

Цементации обычно подвергаются зубчатые колеса, валы, пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д. Она может проходить в твердой и газовой средах, которые называются карбюризаторами.

Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит из древесного угля с добавкой 20…25 % ВаСо₃ для интенсификации процесса и 3…5 % СаСо₃ для исключения спекания частиц карбюризатора. Изделия, подвергаемые цементации, помещаются в стальной ящик и со всех сторон обкладываются карбюризатором. После этого, они нагреваются в печи до температуры 910…940 С. Во время нагрева карбюризатор взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакциям: 2С+О₂2СО₂, ВаСО₃+СВаО+2СО, 2СОСО₂+С.

Образующиеся атомы углерода активно диффундируют в поверхностный слой изделия. В течение 8…10 часов такой слой достигает толщины около 1 миллиметра.

При массовом производстве чаще используется газовая цементация, при которой детали нагреваются в газовых смесях, содержащих СО, СН₄ и др. В этом случае насыщение идет быстрее. Слой толщиной 1 мм образуется за 6…7 ч.

Полученный в результате цементации слой содержит углерода более 0,8 % и имеет структуру заэвтектоидной стали. Глубже располагается слой эвтектоидного состава. Из-за длительной выдержки при высокой температуре структура стали получается крупнозернистой, что необходимо учитывать при обязательной после цементации термической обработке.

Режимы термической обработки назначаются в зависимости от условий работы детали и стали, из которой она изготовлена.

Не очень ответственные детали подвергаются закалке непосредственно с температуры нагрева для цементации с последующим низким отпуском (рис. 73, а). Выросшее при цементации крупное зерно аустенита приводит к грубокристаллическому мартенситу отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито-перлитную смесь в сердцевине изделия. Такие недостатки определенным образом устраняются при применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высоких температурах.

Для тяжелонагруженных изделий, испытывающих динамические нагрузки, необходима не только высокая поверхностная твердость, но и высокая прочность, а также высокая ударная вязкость. Для получения таких свойств необходимо мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таком случае цементованные детали подвергаются двойной закалке с низким отпуском (рис. 73, б).

Рис. 73. Режимы термической обработки стали после закалки

При первой закалке с температуры на 30…50 С выше А_с3 происходит перекристаллизация с образованием во всем объеме мелкого аустенитного зерна и последующей мелкозернистой структуры продуктов его распада. В связи с тем, что при нагреве до температуры выше А_с3 весь цементованный слой также переходит в аустенитное состояние, то для предотвращения выделения цементитной сетки при последующем охлаждении, проводится вторая закалка.

При нагреве под вторую закалку, мартенсит, образовавшийся после первой закалки, отпускается с образованием зернистого цементита, увеличивающего твердость поверхностного заэвтектоидного слоя.

Цементация деталей из легированной стали дает возможность получать в поверхностном слое структуру мартенсита отпуска, а в сердцевине сорбит, троостит или мартенсит. Благодаря низкому содержанию углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.