Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка – это процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повышает твёрдость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивость и другие свойства. Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машиностроении, т.к. является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.

Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обработанный слой одинаковой толщины. При химико-термической обработке за счет изменения химического состава поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины деталей.

Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических элементов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы.

Химико-термическая обработка состоит из трёх процессов: диссоциации – получения насыщающего элемента в активном атомарном состоянии; адсорбции – поглощение активных атомов насыщающего элемента поверхностью металла; диффузии – перемещение атомов насыщающего элемента с поверхности вглубь металла.

Необходимо, чтобы скорости всех трех процессов были обязательно согласованы, а для адсорбции и диффузии требуется, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя либо твёрдые растворы, либо химические соединения. Химико-термическая обработка невозможна, если основной металл и насыщающий элемент образуют механические смеси. Глубина проникновения диффундирующего элемента зависит от температуры и продолжительности насыщения, а также от состава стали, главным образом наличия легирующих элементов.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются:

· Цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· Цианирование (углеродом и азотом);

· Борирование (бором);

· Аллитирование (алюминием);

· Азотирование (азотом);

· Силицирование (кремнием) и др.

Цементация – процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом рпи нагреве в соответствующей среде. Цементация придаёт поверхностному слою высокую твёрдость и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках – шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др.

Для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1 – 0,3 % С), т.е. стали марок 10, 15, 20, А12, А20, Ст3, 15Х, 25ХГМ и др. При цементации содержанием углерода в поверхностном слое доводят до 1% (рис.16). Толщина (глубина) цементованного слоя составляет 0,5-2,5 мм. Для углеродистых сталей глубиной цементации условно считают расстояние от поверхности детали до половины зоны, в структуре которой наряду с перлитом содержится примерно такое же количество феррита.

Рис.16

При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930-950°С в науглероживающей среде (твёрдой, жидкой или газообразной), выдерживают при этой температуре в течение нескольких часов, а затем медленно охлаждают. После этого ее подвергают нормализации, закалке и отпуску.

В цементированном поверхностном слое, жидкие ванны (смесь поваренной соли, углекислого натрия и хлористого бария) и газы, содержащие (820-850°С) и низкому отпуску (150-170°С).

После термической обработки структура поверхностного слоя представляет собой аустенит или мартенсит с небольшим количеством карбидов с твёрдостью HRC 60-64.

Структура сердцевины деталей из углеродистых сталей – феррит, перлит, а из легированных сталей – низкоуглеродистый мартенсит, троостит или сорбит с твердостью HRC 20-40 в зависимости от марки стали и размеров деталей.

Азотирование – процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твёрдости, износостойкости или устойчивости против коррозии. Твёрдость азотированного слоя выше, чем цементированного, и сохраняется до высоких температур 400-600°С, тогда как твёрдость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200-250°С. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие алюминий, хром, титан, например 35ХМЮА, 40Х, 18ХГТ, 40ХНМА и др.

Перед азотированием улучшают механические свойства деталей, подвергая их закалке и высокому отпуску. Толщина азотированного слоя составляет 0,2-0,6 мм. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируется. Азотированию подвергают детали автомобилей (шестерни, коленчатые валы), а также шипы, пресс-формы и др. азотирование приводит к небольшому увеличению размеров.

Поэтому после азотирования детали подвергают окончательному шлифованию (например, повторно шлифуют шейки коленчатых валов) со снятием слоя 0,02-0,03 мм.

Нитроцементация – процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в газовой среде. Основой газовой среды служит эндотермический газ (эндогаз), состоящий из азота (40%), водорода (40%) и окиси углерода (20%).

При нитроцементации деталь нагревают до 850-870°С в среде эндогаза с добавлением природного газа (5-15%) и аммиака (5%) и выдерживают в течение 4-10 часов. Глубина нитроцементированного слоя 0,2-0,8 мм. Она зависит от температуры процесса и времени выдержки. После 160-180°С до твёрдости HRC 58-64. Нитроцементируют детали сложной формы, подвергающиеся износу (зубчатые колеса), склонные к короблению.

Цианирование – процесс химико-термической обработки, заключается в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий – NaCH.

Для получения слоя толщиной 0,3 мм цианирование ведут при 820-860°С (низкотемпературное цианирование) в течение 0,5-1,5 часа. Затем деталь закаливают и подвергают низкому отпуску – 180-200°С. Твердость цианированного слоя после термообработки HRC 58-62. Низкотемпературному отпуску подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущей стали, для упрочнения мелких деталей. Цианированный слой по сравнению с цементованным имеет более высокую износостойкость.

Для получения слоя большей толщины (0,5-2 мм) применяют высокотемпературное цианирование при 930-960°С. Продолжительность процесса 1,5-6 часов. Далее детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают и подвергают низкому отпуску. Высокотемпературное цианирование применяют для деталей из средне- и низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Недостаток – высокая стоимость и ядовитость цианистых солей.

Борирование – процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором и нагревании в бор-содержащей среде (бура, треххлористый бор и др.). Борирование проводят при температуре 850-950°С в течение 2-6 часов. Используют низко- и среднеуглеродистые стали (20, 40, 45, 40Х, 30ХГС и др.). Борированный слой толщиной 0,1-0,2 мм имеет высокую твёрдость, износостойкость, в особенности в абразивной среде, коррозионную стойкость. Борирование применяют для повышения износостойкости деталей нефтяных насосов, трубопроводов, штампов, пресс-форм и др., повышается стойкость деталей в 2-10 раз. Борированные слои обладают высокой хрупкостью.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 0,1-0,2%С, алюминием. Толщина алитированного слоя 0,2-1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%. Алитирование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируют чехлы термопар, детали различных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высокой температуре.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах. Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред.

Дефекты при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла.

При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате взаимодействия металл окисляется и на деталях образуется окалина – химическое соединение металла с кислородом. С повышением температуры и увеличением времени выдержки, окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет обработку металла режущим инструментом. Окалину с поверхности металла удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках или галтовкой в барабанах.

Обезуглероживание, т.е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства стали. Кроме того, обезуглероживание поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление (поводку детали).

Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при отжиге, нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вводят в рабочее пространство печи.

При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках, в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведёт к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются трещины. Перегрев металла может быть исправлен последующей обработкой – отжигом или нормализацией.

Пережог получается в результате пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает вглубь окисляемого металла и окисляет границы зерен. В результате окисления границ зерен механическая связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким. Пережог является неисправимым браком.

Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твёрдость.

Закалочные трещины – это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150-200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, острые углы, тонкие стенки и т.д.

Закалочные трещины, обычно расположенные в углах деталей или инструмента, имеют дугообразный или извилистый вид.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при перегреве и охлаждении.

При закалке стали коробление может проходить и без значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения. Если, например, деталь большого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается. При этом нагреваемая сторона детали удлиняется и становится выпуклой, а ее противоположная сторона – вогнутой. Нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.

При погружении деталей и инструмента в закалочную среду, надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, протяжки, свёрла метчики и т.д.) опускают в строго вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезанные фрезы, пластинки и др.) – ребром.

Окисление и обезуглероживание происходят в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоями деталей. Этот дефект особенно опасен на режущем инструменте, т.к. он в несколько раз снижает его стойкость.

Окисление и обезуглероживание поверхности детали предупреждается строгим соблюдением установленного режима термической обработки, а также нагревом в среде нейтральных газов (азоте, аргоне).

Мягкие пятна – это участки на поверхности инструмента с пониженной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась окалина, следы загрязнений и участке с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки.

Низкая твёрдость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твёрдости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также недостаточная выдержка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить.

Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость. Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу для измельчения зерна.

Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже критической точки Ас (для доэвтектоидных сталей) и Ас (заэвтектоидных сталей).

Недогрев исправляют отжигом, после которого деталь снова закаливают.

Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых имеет ряд технологических особенностей. Эти особенности заключаются в различии температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения.

Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других – ниже, чем у углеродистой стали. Все легирующие элементы можно разбить на две группы: элементы, повышающие критические точки Ас₁ и Ас₃, а следовательно, и температуры нагрева при термической обработке (отжиге, нормализации и закалке), и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относят Cu, V, W, Si, Ti и другие элементы. В связи с этим отжиг, нормализацию и закалку сталей, содержащих перечисленные элементы, производят при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе относят Mn, Ni и другие элементы.

Для легированных сталей требуется несколько большее время выдержки, т.к. они обладают худшей теплопроводностью. Длительная выдержка необходима также для получения лучших механических свойств, поскольку она обеспечивает полное растворение карбидов легирующих элементов в аустените.

Скорость охлаждения при термической обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической скорости закалки. Практически многие легирующие стали закаливаются на мартенсит в масле, т.е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. У высоколегированных сталей, если они к тому же содержат большое количество углерода, способность к самозакаливанию выражена очень сильно, у низколегированных и малоуглеродистых сталей – слабее. Это объясняется большой стойкостью аустенитных зерен к превращению их при температуре Ас₂ в зёрна перлита.

Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легированных сталей, тем более высокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, широко используемые для изготовления режущего инструмента.

Вольфрам в быстрорежущей стали – основной легирующий элемент. Благодаря его высокому содержанию закаленная сталь не теряет режущей способности при высоких температурах. Вольфрам придает быстрорежущей стали красностойкость.

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создаёт прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность детали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и увеличивается эффект вторичной твёрдости при отпуске, заключающемся в том, что если отпуск такой стали повторить несколько раз, то можно обеспечить полное или почти полное превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это несколько увеличивает твёрдость по сравнению с закаленным состоянием.

Углерод быстрорежущей стали очень важен как элемент, придающий стали способность закаливаться на высокую твёрдость. Хром в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т.е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы, резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали, что привело к снижению стойкости инструмента. В быстрорежущей стали содержатся марганец и кремний (не более 0,4% каждого), сера и фосфор (не свыше 0,06% в сумме).

Изделия из быстрорежущей стали до температуры закалки необходимо нагревать ступенчато: вначале медленно 800-850°С, а затем быстро до установленной температуры закалки (1230-1300°С). Такой способ нагрева позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности между температурами поверхности изделия и сердцевины металла. В качестве охлаждающей среды используют минеральное масло. Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.

После закалки изделия из быстрорежущей стали обязательно подвергают отпуску. Отпуск таких деталей имеет свои особенности. Как правило, изделия подвергают многократному отпуску (два-три раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С для стали Р18 с выдержкой 1ч.). Если после закалки применяют обработку холодом при температуре -80°С, то выполняют только один отпуск. Объясняется это тем, что при указанной отрицательной температуре в быстрорежущих сталях заканчивается бездиффузионное мартенситное превращение – основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: