Назначение основных видов химико-термической обработки

Цементация — процесс поверхностного насыщения стали углеродом при температуре 900—950°С. Цементации подвергают малоуглеродистые и низколегированные стали (менее 0,2% например, стали 12ХНЗА, 18ХНВА и др.), реже легированные и высокоуглеродистые стали. Этот процесс с последующей термообработкой позволяет получить на деталях высокую поверхностную твердость (до НRСэ65), прочность и износоустойчивость при вязкой сердцевине. Оптимальное содержание углерода в цементированном слое 0,8 ...0,9%, но не более 1,2%. Толщина слоя 0,5... 2,0 мм.
Цементацию проводят в газовой среде, в твердом карбюризаторе, жидкой среде и в различных пастах.
При твердой цементации детали загружают в ящики вместе с карбюризатором — веществом, содержащим углерод. Карбюризатором является смесь древесного угля с углекислыми солями (активаторами), вводимыми в количестве 20...40%. Добавление к углю углекислых солей (ВаСО3, Na2CO3, K2CO3) активизирует карбюризатор вследствие образования углекислого газа при разложении солей и реакции с углем (ВаСО3=ВаО+СО2; СО2+С=2СО). Оптимальный размер твердых частиц карбюризатора составляет 3...5 мм. Цементационный ящик изолируют от внешней среды, промазывая швы и щели специальными огнеупорными обмазками, в помещают в печь, нагретую до 900...950° С.
Для газовой цементации используют различные газы, содержащие углерод: окись углерода, предельные углеводороды (CH2n+2)— метан, этан, пропан, бутан, природный газ и др. Газ приготовляется отдельно. Температура газовой цементации 920...950°С.
В процессе цементации достигается лишь выгодное распределение углерода по глубине поверхностного слоя детали. Поэтому для получения высокой твердости и износоустойчивости поверхностного слоя при вязкой сердцевине детали после цементации подвергают закалке (850...900°С) и низкому отпуску (180...200°С). Цементированный слой детали после такой обработки имеет твердость НRCэ58...62, а сердцевина—порядка НRСэ 25...35.
Жидкая цементация используется для упрочнения сталей на малую глубину, до 0,2 мм. Она осуществляется в расплаве солей 75 ...85% Nа2СО3 и 10...15% NaCl с добавкой 6...10% карбида кремния (SiC); последний, взаимодействуя с содой, разлагается и выделяется атомарный углерод. Процесс ведется при температуре 815...850°С в зависимости от состава стали.
В последнее время имеются рекомендации о применении вакуумной цементации, проводимой при температуре 1040°С (нагрев. 45 мин, выдержка 32 мин, глубина слоя 1,25 мм) с последующей закалкой. Этот процесс имеет ряд преимуществ: высокая скорость цементации, хорошая чистота поверхности, нет внутреннего окисления, небольшой расход карбюризатора, нет необходимости в газоприготовительных установках. Процесс обработки полностью автоматизирован.
Цементированные детали из легированных сталей после закалки рекомендуется подвергать обработке холодом (-40...-70°С) с последующим низким отпуском. При обработке холодом продолжительность выдержки устанавливается не менее 2 ч. Обработка холодом проводится с целью завершения процесса превращения остаточного аустенита в структуре цементированного слоя в мартенсит, в результате чего повышаются твердость (HRCэ>61) и износоустойчивость цементированного слоя и стабилизируются размеры деталей.
Азотирование — насыщение поверхностного слоя стальных деталей азотом в среде аммиака или в смеси аммиака и азота при температуре 500...700°С.
Продолжительность азотирования 20—80час. Глубина азотированного слоя составляет 0,1...0,5 мм, твердость НV650...1100. При этом содержание азота в поверхностном слое достигает 10...12%.
Различают антикоррозионное и прочностное азотирование.
Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и коррозионной стойкости деталей, работающих в атмосфере, воде, паре и т. д.
Прочностное азотирование является наиболее эффективным методом резкого повышения поверхностной твердости, прочности, износоустойчивости. Высокая поверхностная твердость азотированных деталей не изменяется при повторных нагревах до 600—650°С. Азотируют детали машин, работающие в условиях трения и знакопеременных нагрузок, изгиба при вращении. Наиболее распространенной азотируемой сталью является 38ХМЮА, у которой после азотирования твердость достигает НV960…1150.
При температуре выше 400°С аммиак диссоциирует (по реакции НN3=3Н+N) с образованием атомарного азота. Атомарный азот поглощается и диффундирует в глубь поверхностного слоя, образуя при этом азотистые фазы.
Со многими легирующими элементами азот также образует нитриды.
Выбор температуры азотирования для стальных деталей определяется требованиями к глубине и твердости слоя. При высокой твердости и небольшой глубине слоя рекомендуется применять низкую температуру; при большой глубине и меньшей твердости применяется более высокая температура; при большой глубине и высокой твердости применяется двухступенчатый режим.
Нитроцементация (цианирование) — процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стальных деталей азотом и углеродом. Нитроцементацию различают газовую а жидкую. При нитроцементации поверхностный слой насыщают углеродом и азотом из смеси аммиака (2...6%) и науглероживающими газами (светильный, пропан и др.) или жидкостями (пиробензин, синтин, триэтаноламин и др.). При цианировании насыщение осуществляется из солевых расплавов, содержащих цианистые соли NaCN, Са(СN)2, являющиеся поставщиками активных атомов углерода и азота. Нитроцементацию подразделяют на низкотемпературную (500...600°С) и высокотемпературную (800...950°С). Толщина упрочненного слоя 0,15...0,5 мм.
Время выдержки при газовой нитроцементации выбирают в зависимости от требуемой глубины слоя и температуры процесса. При высокотемпературной нитроцементации средняя скорость образования упрочненного слоя равна 0,08...0,1 мм/ч.
Толщина цианированного слоя зависит от времени выдержки. За 1 час выдержки при рабочей температуре 820 ...860°С можно получить слой толщиной 0,25...0,35 мм.
После цианирования (нитроцементации) детали подвергают закалке в масле или в воде и низкому отпуску при температуре 150…170°С в течение 5ч. Газовая нитроцементация конструкционных сталей обеспечивает твердость HRC 58.
Борирование — процесс поверхностного насыщения стальных (чугунных) деталей бором. Применяют для повышения поверхностной твердости (до НV1300—2500) низколегированных чугунов, углеродистых и высоколегированных сталей и специальных сплавов. Высокая поверхностная твердость деталей увеличивает их износостойкость, особенно в условиях абразивного износа.
Твердость борированной поверхности сохраняется при нагреве до температуры ~750°С. Борированный слой обладает повышенной жаростойкостью и кислотостойкостью.
Для деталей при небольших удельных нагрузках глубина борированного слоя может быть выбрана в пределах 0,25—0,4 мм, при больших удельных нагрузках глубина слоя не должна превышать 0,2 мм.
Диффузионные боридные покрытия используют прежде всего для повышения сопротивления износу. Они имеют также и более высокие жаростойкость, коррозионную и эрозионную стойкость, огнеупорность по сравнению с металлом основы. Борирование сталей и тугоплавких металлов осуществляют двумя методами: жидкофазным (электролизным и безэлектролизным) и газофазным.
Электролизное борированне проводится в расплаве буры. Иногда к ней добавляют присадки, снижающие температуру плавления, повышающие жидкотекучесть и способствующие интенсификации процесса насыщения, например, борный ангидрид, хлористый натрий, желтую кровяную соль. При этом методе катодом является борируемый металл, анодом—либо графитовые электроды, либо сам металлический тигель, в котором находится борирующий расплав.
Борирование в жидких средах без электролиза чаще проводят в расплаве буры. К ней добавляют небольшие количества веществ, способных служить восстановителями и образовывать вследствие разности электродных потенциалов с насыщаемым металлом гальванический элемент: металл—электролит—восстановитель.
Газовое борирование проводят двумя основными способами:
- способом порошков, при котором борируемые детали помещают в герметичный контейнер, засыпают боросодержащим порошком и нагревают в стандартных печах с воздушной, нейтральной или защищенной средой либо в вакууме;
- способом газофазного осаждения бора на поверхность нагретой детали по реакции восстановления галоидных соединений бора (ВС13, ВI3, В Вr3) водородом с последующей диффузией бора в металл детали, при этом способе используют также смеси борводородов с водородом.
Порошковое борирование проводится при температуре нагрева 930...1100°С. Для борировяния применяют порошки аморфного бора, карбид бора, ферробор, ферроборал, к которым иногда добавляют инертные наполнители (песок, глинозем, шамот).
Независимо от метода борирования скорость роста диффузионного слоя, его структура и фазовый состав определяются тремя основными факторами: температурой, продолжительностью процесса и активностью борирующей среды. Обычно температура борирования составляет 850…1100°С, а время выдержки 1…10ч.
Алитирование — процесс поверхностного насыщения стали или чугуна алюминием при температуре 660…1100°С для повышения жаростойкости. Алитированию подвергают в основном низкоуглеродистые стали.
Хромирование — процесс поверхностного насыщения стали и чугуна хромом при температуре 950…1050°С для повышения коррозионной стойкости, кислотоупорности и поверхностной твердости. Хромированию подвергают средне- и высокоуглеродистые стали. Хромированная сталь обладает окалиностойкостью до 800…850°С, высокой кислотоупорностью и высоким сопротивлением коррозии в растворе хлористого натрия.
Силицирование — процесс насыщения поверхности стали и чугуна кремнием при высоких температурах. Применяют для повышения стойкости изделий в азотной, серной, соляной кислотах.
Сульфидирование — процесс поверхностного насыщения деталей серой. Применяют для повышения износоустойчивости, улучшения приработки и противозадирных свойств деталей. Сульфидированию подвергают коленчатые валы, толкатели клапанов, направляющие салазки и винты токарных станков, прессформы для литья под давлением. Глубина слоя составляет 0,1 мм и выше.