Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка стали (ХТО) – поверхностное насыщение стали соответствующим элементом путем его диффузии из внешней среды при высокой температуре. ХТО включает три последовательные стадии:

1. Диссоциация – распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента в насыщающей среде вблизи поверхности. Например:

2СО → СО₂+С_ат; 2NH₃ → 3H+N_ат

2. Адсорбция (поглощение) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Происходит на границе газ – металл.

3. Диффузия – перемещение адсорбированных атомов от поверхностных вглубь обрабатываемого металла. В результате образуется диффузионный слой. Это слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу. На поверхности слоя концентрация диффундирующего элемента наибольшая, по мере удаления от поверхности концентрация падает. Глубина проникновения будет представлять толщину слоя. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружающей активной среды, называют сердцевиной. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

Рассмотрим некоторые виды химико-термической обработки.

Цементация стали. Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки А_С3 (930-950⁰С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах (до 2,14%).

Окончательные свойства цементированные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1-0,2 %С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,25-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине слоя. На поверхности количество углерода должно составлять 0,8-1,0% (max 1,2%С).

Различают два основных вида цементации: в твердой и в газовой средах. При цементации в твердой науглероживающей среде (в твердом карбюризаторе) в качестве карбюризатора используется древесный уголь с добавками углекислых солей (ВаСО₃, Na₂CO₃ и др.) в количестве 10…40%. (Готовые карбюризаторы выпускаются промышленностью).

Глубина цементированного слоя составляет обычно около 0,5…1,5мм, на что потребуется весьма много времени (при температуре 930⁰С примерно 1 ч на каждые 0,1…0,12 мм толщины слоя). Цементацию в твердом карбюризаторе применяют в единичном и мелкосерийном производстве.

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в печах с герметичной камерой, наполненной цементирующим газом. Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды, разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода: 2СО→СО₂+С_(ат); СН₄→2Н₂+С_ат.

Наибольшее распространение в качестве газового карбюризатора получил природный газ, содержащий 92-96% СН₄. Применяют также газы, образующиеся при распаде керосина, бензола и др.

Применяют газовую цементацию при серийном и массовом производстве изделий. Окончательные свойства изделий (твердость, износостойкость и др.) достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой термообработкой исправляется структура, измельчаются зерна и достигается необходимая твердость слоя и сердцевины. Такой ТО является закалка (t_зак выше А_С1 сердцевины – 820-850⁰С) и низкий отпуск (160-180⁰С). После термической обработки твердость слоя 59-62 HRC, сердцевины 15-30 HRC, в зависимости от состава сталей.

Азотирование – процесс диффузионного насыщения стали азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя изделия, его износостойкость, пределы выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре. Твердость азотированного слоя выше цементованного и сохраняется до температур 400-500⁰С, а цементированного – до 200-250⁰С. Азотированию подвергают в основном легированные среднеуглеродистые стали. Азотированный слой приобретает высокую твердость сам, без последующей термической обработки, а размеры изделия изменяются мало, поэтому азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую (закалка + высокий отпуск) и механическую обработки. Температура азотирования 500-600⁰С. Для достижения рекомендуемой толщины слоя (0,25-0,75 мм) продолжительность процесса составляет десятки часов (24…60 ч).

Нитроцементация – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно азотом и углеродом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Температура нитроцементации (НЦ) 840-860⁰С, продолжительность 4-10 ч, толщина нитроцементированного слоя 0,2-1,0 мм. Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода поэтому скорость роста цементированного и нитроцементированного слоев практически одинакова, хотя температура НЦ почти на 100⁰С ниже цементации. Используемое оборудование аналогично газовой цементации.

Для НЦ используют смесь аммиака и природного газа. НЦ подвергают углеродистые и легированные стали, содержание углерода до 0,25%. После НЦ следует закалка непосредственно из печи, после закалки – отпуск 160-180⁰С. Твердость НЦ слоя HRC 58-60. НЦ подвергают изделия сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах.

Цианирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно азотом и углеродом в расплавленных цианистых печах. Окончательные свойства цианированный слой приобретает после закалки и низкого отпуска. Твердость слоя HRC 58-62, слой имеет большую износостойкость чем нитроцементированный, эффективно повышает предел выносливости. Основной недостаток цианирования – высокая токсичность цианистых ванн, высокая стоимость применяемых химикатов.

Борирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором при нагревании в борсодержащей среде. Борирование обеспечивает высокую абразивную износостойкость, коррозионную и окалиностойкость. Борированию подвергают детали нефтяного и горнобурового оборудования, штампы и детали пресс-формы.

Силицирование – диффузионное насыщение поверхности стали кремнием. Силицирование придает высокую коррозионную стойкость (в морской воде, соляной и азотной кислотах), окалиностойкость (до 750⁰С). Толщина слоя составляет 0,3-1,0 мм. Силицированию подвергают детали оборудования для химической, бумажной и нефтяной промышленности.

Диффузионная металлизация. Диффузионное насыщение поверхности стали металлами (Cr, Al, Zn и др.). Поверхность, обогащенная этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых относятся высокая жаростойкость и коррозионная стойкость, твердость и др. Наиболее распространенными являются:

Диффузионное хромирование – насыщение поверхности стали хромом. Процесс обеспечивает повышенную окалиностойкость (до 800⁰С), высокую коррозионную стойкость в воде, паре, щелочах, кислотах. Хромирование сталей с содержанием углерода 0,4% и более повышает твердость и износостойкость. Толщина хромированного слоя 0,1…0,2 мм.

Алитирование – насыщение поверхности стали алюминием; при этом сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850-900⁰) и сопротивление коррозии в атмосфере и морской воде.

Применяют также насыщение поверхности стали одновременно двумя и более элементами (многокомпонентное насыщение).

Дата добавления: 2014-01-07