3.2. Химико-термическая обработка стали

К ХТО относятся такие термические процессы в искусственно созданной активной среде, которые приводят к изменению химического состава, а вместе с тем и свойств поверхностного слоя обрабатываемого металла. Химико-термическая обработка заключается в нагреве изделия до определенной температуры в химически активной среде, некоторой выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При этом развиваются такие процессы, которые обеспечивают поступление к обрабатываемой поверхности изделия активных атомов того или иного вещества. Эти атомы адсорбируются на поверхности металла и, проникая в решетку, насыщают его поверхностные слои.

Таким образом, в основе химико-термической обработки лежат диффузионные процессы. Диффузионные процессы в твердом состоянии идут весьма медленно и поэтому, несмотря на длительность химико-термической обработки, диффундирующее вещество проникает на небольшую глубину.

Обычно химико-термическую обработку применяют к различным деталям машин и приборов с целью повышения их поверхностной твердости, износоустойчивости, усталостной прочности, антикоррозионных свойств и жаростойкости.

Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:

 создание активных атомов;

 перенос активных атомов к поверхности детали, взаимодействие их с поверхностью;

 диффузия активных атомов в глубь металлов.

Все эти 3 стадии процесса идут последовательно, и поэтому общая скорость ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.

Обычно наименьшая скорость - это скорость диффузии в металле. Для ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности детали.

Классификация ХТО:

1. ХТО с насыщением неметаллами (С, N, Si, B);

2. ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn);

3. Многокомпонентная ХТО.

Основные виды ХТО разработаны и применяются для стальных деталей. В зависимости от основного насыщенного компонента эти виды называют:

1. Цементация - насыщение углеродом.

2. Азотирование - насыщение азотом.

3. Нитроцементация - насыщение С и N.

Технологический процесс насыщения поверхности детали может происходить по-разному:

 способ насыщения из порошковых засыпок, т.е. деталь засыпают порошками, содержащими нужные элементы. Способ самый универсальный, наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и необходима потребность в большом количестве порошка;

 насыщение из газовой фазы. Детали помещают в специальные печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода в ряде случаев сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.

 насыщение из жидкой среды. При этом способе детали помещают в расплавы солей, щелочей, металлов, содержащих нужный элемент.

 насыщение из пасты. Этот способ применяется для местного насыщения детали легирующими элементами.

 насыщение в вакууме. Деталь помещают в вакуумную камеру, нагревают и конденсируют на нее атомы легирующих элементов. Применяется для специальных деталей или детали, которые не должны окисляться.

Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является основным компонентом в данной детали.

Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры. Глубина диффузионного слоя  (х) в значительной степени зависит от коэффициента диффузии Д легирующего элемента и от времени насыщения. Коэффициент диффузии определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение. Толщина насыщенного слоя определяется, прежде всего, временем :

.

В некоторых случаях после ХТО проводят дополнительную обработку, включающую закалку и отпуск, для того, чтобы получить необходимую структуру на поверхности и заданные свойства.

Цементация представляет собой процесс насыщения поверхностей деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости. Цементацию применяют для деталей, в которых твердость поверхностных слоев должна сочетаться с вязкой сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. Цементации подвергают стали, в которых содержание углерода обычно не превышает 0,1…0,25% С.

Цементацию насыщением «С» проводят либо из твердой среды, либо в специальных газовых средах. Процесс цементации ведется при высоких температурах порядка 900…950 °C. Такая температура необходима для перехода структуры в аустенитное состояние.

Температура цементации должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить аустенитную структуру и не вызвать рост зерна. Продолжительность процесса цементации определяется необходимой глубиной насыщаемого слоя и определяется, исходя из скорости насыщения  0,1 мм/ч. Общая продолжительность 8…10 часов. После окончания процесса цементации деталь охлаждается, при этом происходит изменение её структуры.

Для газовой цементации используют контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую фазу. В поверхностном слое образуется микроструктура, состоящая из трех зон: заэвтектоидная: П+Ц₂ (С  0,8 %), эвтектоидная: П (С=0,8 %) и доэвтектоидная: П+Ф (С 0,8 %).

Для получения нужных свойств детали после цементации в обязательном порядке подвергают дополнительной термообработке. Она включает в себя одинарную или двойную закалку и последующий низкий отпуск. Если деталь не имеет ответственного назначения, то после цементации применяют одну закалку. Нагревают до 880…900°С и охлаждают в масле. Закалка с такой температурой вызывает частичное растворение цементитной сетки. В результате, вместо сплошных выделений вторичного цементита по границам, образуются отдельные мелкие включения по всему объему металла. Но закалка с такой температурой сохраняет крупнозернистое строение стали. Поэтому вязкость будет пониженная. Отпуск при температуре 160…180°С позволяет уменьшить закалочные напряжения без уменьшения твердости.

Для ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам, применяют сложную ТО, которая состоит из трех операций.

1. Высокотемпературная закалка 860…880°С, которая для крупно-габаритных деталей может быть заменена на нормализацию. Эта операция термообработки направлена на устранение цементитной сетки.

2. Закалка 760…780°С (обязательная). Повторная закалка позволяет измельчить зерно в стали и соответственно повысить ее вязкость.

3. Низкий отпуск (1…2 часа). Цель - снятие закалочных напряжений. Дополнительная обработка после цементации позволяет перевести перлитную структуру в мартенситную.

Это обеспечивает увеличение прочности и твердости поверхности.

Окончательные свойства детали получаются после цементации и термообработки: поверхность будет иметь твердость 58…62 HRC.

После цементации, закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Для тяжело нагруженных деталей, цементуемых на толщину более 0,5…0,6 мм, следует применять стали легированные никелем (до 4%), повышающим пластичность мартенсита, и молибденом (до 8 %), резко повышающим прокаливаемость цементованного слоя.

Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быть непосредственно мелкозернистой.

Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение предела контактной выносливости, предела выносливости при изгибе, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки. Для измельчения зерна цементуемые стали микролегируют V, Ti, Nb, Zr, A1 и N, образующими дисперсные нитриды VN, TiN, A1N, карбонитриды V (N, С), Ti (N, С), Zr (N, С) или карбиды TiC, VC, задерживающими рост зерна аустенита.

Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. На ВАЗе широко применяют сталь 20ХГНМ (0,18…0,23 % С, 0,7…1,1% Мn, 0,4…0,7 % Сr, 0,15… 0,25 % Мо), а также 19ХГН и 14ХГН, содержащие по 0,8…1,1% Мn, Сr и Ni. После закалки и низкого отпуска эти стали имеют _в = 1100…1200 МПа, _0,2= 850…950 МПа,  = 7…8 % и KCU =0,6…0,8 МДж/м².

В настоящее время применяется ряд новых сталей для цементации, обладающих мелким зерном, глубокой прокаливаемостью слоя и сердцевины (табл. 4). После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

Таблица 4