22) Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) — совокупность процессов диффузионного насыщения поверхностного слоя одним или несколькими химическими элементами в сочетании с предварительной или последующей термической обработкой. При ХТО формируется одно- или многокомпонентный диффузионный слой, обладающий комплексом высоких механических и физико-химических свойств. Диффузионное насыщение неметаллами (С, N, В) используют для упрочнения поверхности деталей машин и инструментов. Насыщение поверхности металлами (Сг, А1 , Zn ,Ti , Be и др.) или Si и В с металлами применяют для получения защитных покрытий, стойких к коррозии и коррозионно- механическому изнашиванию при нормальных и высоких температурах.

Цементация — процесс диффузионного насыщения поверхности углеродом. После цементации проводят закалку и низкий отпуск. Толщина науглероженного слоя 0,5...2,0 мм. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (табл. 2.9.5 ), которые слабо упрочняются при закалке. В результате детали приобретают твердую (58...63 HRC) поверхность и вязкую (28...43 HRC) сердцевину, устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации — большие деформация и коробление деталей, которые устраняются шлифованием. Цементации отдают предпочтение при производстве наиболее нагруженных деталей машин – зубчатых колес, валов-шестерен, крупногабаритных колец подшипников, шарниров синхронного хода и других.

Концентрация углерода в цементованном слое определяет уровень и распределение твердости. В условиях массового и крупносерийного производства применяют газовую цементацию, которую проводят в автоматизированных безмуфельных печах непрерывного действия большой (700 кг/ч) производительности или камерных печах типа СНЦА меньшей производительности. Основной тип обрабатываемых деталей — зубчатые колеса из низколегированных сталей. Типовой режим их упрочнения включает цементацию при температуре 930°С, под- стуживание до 850°С, ступенчатую закалку в горячем масле и отпуск при 180°С. В условиях серийного производства используют универсальное быстро переналаживаемое оборудование. В мелкосерийном производстве применяют цементацию в кипящем слое и из паст. Интенсификация процесса и повышение качества упрочнения деталей обеспечивается высокотемпературной вакуумной цементацией и ионной цементацией.

Высокотемпературная вакуумная цементация (ВВЦ) осуществляется в специальных установках при температуре 1000... 1100 °С в среде метана с двухступенчатым режимом его подачи. На первой стадии парциальное давление метана составляет 150...400 гПа; поверхность детали интенсивно насыщается углеродом до образования карбидов и выделения сажи. На второй стадии метан удаляют из камеры, что стимулирует диффузионное рассасывание углерода в слое. Время процесса существенно сокращается. Недостатком ВВЦ являются неравномерность науглероживания деталей сложной формы из-за образования застойных зон и неравномерного выпадения сажи, укрупнение зерна и снижение механических свойств слоя и сердцевины.

Ионная цементация (ИЦ) Сущность ее состоит в том, что детали помещают на катод в газоразрядную камеру, через которую при небольшом расходе (до 0,1 м^/ч) и пониженном давлении (1,3...26 гПа) прокачивают углеродсодержащую газовую смесь.

Дополнительные преимущества:1) высокая равномерность науглероживания и, как следствие, уменьшение деформации деталей; 2) гибкость управления составом газовой

среды и электрическими параметрами процесса; 3) отсутствие внешнего и внутреннего

окисления; 4) возможность замены специальных покрытий, в том числе медных, для защиты отдельных поверхностей от науглероживания путем установки защитных экранов (втулок, пробок и т.п.); 5) возможность обработки коррозийно- стойких сталей типа 20X13 за счет удаления оксидной пленки на начальной стадии процесса — катодного распыления; 6) снижение до 50% потребления электроэнергии.

Нитроцементация (НЦ) — процесс диффузионного насыщения поверхности азотом и

углеродом, осуществляемый в среде науглероживающего газа и аммиака. Присутствие азота повышает износостойкость, теплостойкость, выносливость при изгибе, а также контактную долговечность. НЦ более технологична, чем цементация. При ее проведении не требуется подстуживания перед закалкой, увеличивается прокаливаемость слоя, снижаются деформация и коробление деталей. Время технологического цикла сокращается на 50%.

Ионную нитроцементацию (ИНЦ) проводят в среде, состоящей из смеси азота, водорода и углеводорода. При ИНЦ предпочтительны двухстадийные режимы. Они обеспечивают глубокое проникновение азота в толщину слоя В результате твердость менее интенсивноснижается по толщине слоя. Обеспечивая в 2 раза более высокое сопротивление контактной усталости, чем при газовой цементации. Заметно возрастает и износостойкость; она становится соизмеримой с износостойкостью азотированных слоев.

Азотирование — насыщение легированных сталей азотом. азотирование формирует слой более твердый и в 1,5—4 раза износостойкий, имеющий повышенную

Теплостойкость. Незначительное коробление является важным преимуществом азотирования. К его недостаткам относятся большая длительность (24...90 ч) и небольшая (0,3...0,5 мм) толщина диффузионного слоя, ограничивающая уровень

контактных нагрузок. Для получения слоя толщиной 0,5...0,6 мм и высокой твердости

применяют двухступенчатое азотирование: 1-я ступень при 510...520 °С (15 ч), 2-ступень — при 540...560 °С (25 ч).

Ионное азотирование осуществляют в азотсодержащей плазме тлеющего разряда. Длительность процесса ионного азотирования улучшаемых сталей сокращается в 2 раза, а при толщине слоя до 0,3 мм — в 3—4 раза. Для ионного азотирования используют промышленные установки с полностью автоматизированным циклом обработки. В них вместо аммиачной плазмы используют диссоциированный аммиак либо азотводородную плазму. Процесс ионного азотирования проводят в две стадии: катодное распыление и собственно насыщение. Ионное азотирование эффективно для

повышения износостойкости титановыхсплавов. Борированный слой склонен к скалыванию.

Борирование. Насыщение поверхностей бором применяют для обеспечения высокой (1500...2000HV) твердости и износостойкости. Износостойкость борированной стали 45 в 4—6 раз выше износостойкости цементованных и в 1,5—3 раза нитроцементованных сталей. Борированному слою свойственна также высокая теплостойкость (до 700 °С), окалиностойкость (до 800 °С) и коррозионная стойкость в различных агрессивных средах. Недостатки борирования — высокая хрупкость слоя и малая его толщина. Борирование применяют для деталей нефтяных насосов, дисков турбобура, пальцев и втулок гусеничных машин и других деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.