4. Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой стали называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхност­ного слоя стали в результате диффузионного насыщения его различными элементами (углеродом, азотом, хромом, бором и др.) при высоких температурах. Химико-термическая обработка имеет целью повышение твердости, износостойкости и в некоторых случаях – коррозионной стойкости изделий.

В зависимости от насыщающего элемента, различают следующие виды химико-термической обработки: цементацию – насыщение поверхностного слоя углеродом; азотирование – насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; диффузионную металлизацию – насыщение поверхностного слоя металлами: алюминием (алитирование), хромом (хромирование), вольфрамом (вольфрамирование) и т.п.

Природа процессов, совершающихся при химико-термической обработке, одинакова для всех насыщающих элементов. Для диффузионного насыщения надо поместить изделие в среду, богатую элементом, которым предполагается обогатить его поверхность, обеспечив при этом достаточно высокую температуру. В этих условиях протекают следующие процессы:

1. диссоциация – во внешней среде происходит распад молекул и образование активных атомов диффузионного элемента;

2. адсорбция – поглощение поверхностным слоем стали атомов диффундирующего элемента;

3. диффузия – проникновение атомов диффундирующего элемента в глубь детали.

4.1. Цементация

Назначение цементации – придать детали поверхностную твердость и износостойкость, сохранив вязкость и пластичность сердцевины. При таком сочетании свойств деталь хорошо воспринимает ударные нагрузки, противостоит износу. Подвергаются цементации, как правило, малоуглеродистые стали (0,1-0,25 % С).

Цементация может происходить в газовом, твердом и жидком карбюризаторах.^ Газовая цементация проводится в основном в смеси нейтральных газов с метаном (CH₄), окисью углерода и другими углеродосодержащими газами при температуре 930-1000 С. Процесс насыщения углеродом сопровождается следующими реакциями:

CH₄ 2H₂ + C_ат ;

2СО СО₂ + С_{ат .}

Выделившийся атомарный углерод поглощается сталью, имеющей при температуре 930-1000 С структуру аустенита. Как известно, γ-железо может растворить до 2 % углерода.

Образовавшийся атомарный углерод проникает в решетку γ-железа и диффузионным путем перемещается в глубь детали. Продолжительность цементации равна 8-10 ч; при этом глубина слоя составляет примерно 1 мм. За глубину цементации принимается обычно расстояние от поверхности до слоя с содержанием углерода 0,4-0,5 %. После цементации содержание углерода в стали постепенно уменьшается от 0,8–1,1 % на поверхности до исходной концентрации в глубинных слоях. Соответственно содержанию углерода изменяется по глубине и структура стали: на поверхности образуется зона заэвтектоидной стали со структурой перлита и сеткой цементита, далее расположена зона доэвтектоидной стали со структурой феррита с перлитом. Цементитная сетка в науглероженном слое придает слою хрупкость и потому нежелательна (рис. 16).

Для придания цементованной детали высоких механических свойств ее подвергают термической обработке, состоящей из двойной закалки и низкого отпуска. Первая закалка производится с температуры выше точки А_ст для разрушения сетки цементита поверхностного слоя. Последний из-за высокой температуры нагрева после первой закалки приобретает структуру крупно­игольчатого мартенсита.

Вторая закалка производится с температуры несколько выше точки А_С , что обеспечивает образование в цементованном слое мелкоигольчатого мартенсита, обладающего более высокой твердостью, чем крупноигольчатый мартенсит. Низкий отпуск при 150-180 С снимает остаточные напряжения после закалки.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Рис. 16. Микроструктура цементовованного слоя после медленного охлаждения с температуры цементации