43. Химико-термическая обработка: цементация и азотирование. Сущность процессов. Режимы и применение обработки.

Химико-термическая обработка.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующими элементами (например, углеродом, азотом, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими сме­сями (карбюризаторами) и газовую.

Цементацию с последующей закалкой и отпуском применяют для повышения работоспособности деталей металлургических машин (всевозможные шестерни, зуб­чатые муфты и втулки, пальцы и т. д.), испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические и переменные нагрузки и подверженных изнашиванию.

Для цементации обычно используют низкоуглеро­дистые стали (0,1—0,18 % С). Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2—0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вяз­кость после закалки.

Для цементации детали поступают после механиче­ской обработки нередко с припуском на шлифование 0,05—0,10 мм. Во многих случаях цементации подвер­гается только часть детали, тогда участки, не подлежа­щие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 — 0,04 мм), которую наносят электролитическим спосо­бом или изолируют специальными обмазками, состоя­щими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др. Цементация твердым карбюризатором. В этом про­цессе насыщающей средой является твердый карбю­ризатор — древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах 3,5—10 мм. Для ускорения процесса цемен­тации к древесному углю добавляют активизаторы; углекислый барий (ВаСО₃) и кальцинированную соду (Nа₂СО₃).

Изделия, подлежащие цементации, после предвари­тельной очистки укладывают в ящики; сварные сталь­ные или реже литые чугунные прямоугольной или ци­линдрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20—30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между деталями и до боковых стенок ящика 10—15 мм. Засыпают и утрамбовывают ряд деталей и т. д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35—40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка, разведенных на воде до тестообразного состояния. После этого ящик помещают в печь, тем­пература цементации 910—930°С.

Продолжительность выдержки при рабочей темпе­ратуре зависит от требуемой толщины слоя и размеров ящика. Для получения слоя толщиной 0,7—1,5мм выдержка составляет 6—15 ч. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 — 500°С и затем раскрывают.

Газовая цементация. Газовую цементацию осуще­ствляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе. Поэтому ее широко применяют на заводах, изготавли­вающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно точно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изде­лий, так как можно проводить закалку непосредственно из цементационной печи.

Основной реакцией, обеспечивающей науглерожи­вание при газовой цементации, является диссоциация СО:

2СО→СО2 + Сат;

Сат→Feγ→ Feγ (C) – аустенит.

Цементацию выполняют при 930 - 950°C. Продолжительность цементации для получения слоя толщиной 0,7 - 1,5 мм при 930°C составляет 6-12 ч.

Азотирование — это процесс диффузионного насыщения поверхности изделий азотом в парах аммиака при температурах 500—700°С (в зависимости от состава сплава). При указанных температурах аммиак диссо­циирует с образованием атомарного азота, который диф­фундирует в железо: 2NН₃ → 2N + 6Н.

В результате насыщения железа азотом образуются три фазы: азотистый феррит или α-раствор азота в железе; азотистый аустенит или γ-раствор азота в железе и про­межуточные фазы γ'-фаза Fе₄N и ε-фаза Fе₃N. В легиро­ванных сплавах азот образует мелкодисперсные нитриды с алюминием, молибденом, хромом и ванадием. Нит­риды придают насыщен­ному поверхностному слою твердость, больше твердо­сти цементоваиного слоя.

Процесс азотирования более длительный, чем процесс цементации из-за меньшей подвижности атомов азота при указанных температурах и продол­жается 25—95 ч. Глубина азотированного слоя со­ставляет 0,3—0,7 мм и зависит от температуры процесса и времени выдержки. Ускорение азо­тирования достигается при использовании тлеющего разряда между анодом и изделием, выполняющим роль катода. В плазме раз­ряда образуются ионы азо­та, которые насыщают обрабатываемую поверх­ность. Технология процесса многоступенчатая и трудоем­кая. Вначале заготовку улучшают путем закалки и высо­кого отпуска при температуре, превышающей температуру последующего азотирования. Затем проводят механи­ческую обработку заготовок. Если не все поверхности требуют азотирования, то их предохраняют лужением или покрывают жидким стеклом. После этих операций про­водят непосредственно азотирование и окончательную механическую обработку в виде тонкого шлифования, суперфиниша или хонингования.

Для сокращения цикла азотирования применяют двух­ступенчатый процесс — вначале при температуре 500— 520°С, а затем при 540—560°С, или обработку ведут в расплавленных цианистых солях КСΝ, ΝаСΝ. Время азотирования сокращается от 1 до 10 ч. Поверхностный слой приобретает твердость НV 600—1000 в результате образования нитридной Fе₃N и карбонитридной Fе₃(N, С) фаз. Образование азотированного слоя сопровождается увеличением его объема и, как следствие, возникновением остаточных сжимающих напряжений, достигающих 600 – 800 МПа. Остаточные напряжения сжатия повышают износостойкость и предел выносливости азотированных деталей.