Вопр.42. Химико-термическая обработка стали

Термическую обработку, при которой изменяется не только структура, но и химический состав поверхностных слоев металла, называют химико-термической обработкой.

Сущность химико-термической обработки стали состоит в искусственном изменении химического состава ее поверхностных слоев. Цель такой обработки - получение высокой поверхностной твердости и износостойкости стальных деталей.

Химический состав поверхностных слоев стали изменяется благодаря проникновению в них различных элементов. Изменение химического состава вызывает изменение структуры и свойств поверхностного слоя.

Химико-термическая обработка осуществляется помещением стали в среду, в которой происходит насыщение ее поверхностного слоя. Химико-термическая обработка стали складывается из трех этапов: диссоциации, адсорбции и диффузии.

Диссоциация происходит в газовой среде и состоит из разложения молекул тех или иных соединений и образования активных атомов

Адсорбция - это поглощение поверхностью стали свободных, главным образом активных, атомов из газовой смеси или раствора.

Диффузия заключается в проникновении адсорбированных атомов с поверхности металла в глубь его. Она происходит в результате теплового движения атомов, без воздействия внешних сил. Диффузия характеризуется коэффициентом диффузии D, который численно равен количеству вещества, продиффундировавшему через площадку в 1 см2, в течение 1 сек. при перепаде концентраций по обе стороны площадки, равном единице.

Различают следующие виды химико-термической обработки.

Цементация. Процесс насыщения стальных деталей углеродом называют цементацией.

Основная цель цементации - это получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при сохранении мягкой и вязкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости.

Цементации подвергаются зубчатые колеса, валы, шпиндели, поршневые пальцы, толкатели клапана, лемехи и другие ответственные детали машин.

Глубина цементованного слоя при 850-920°С увеличивается пропорционально времени выдержки. Для получения цементованного слоя глубиной 0,1 мм необходима выдержка в течение часа. Для большинства автомобильных и тракторных деталей глубина цементованного слоя принимается равной 0,6-2,0 мм. Детали, цементованные в твердом карбюризаторе, проходят двойную закалку: первую при температуре 840-850°С для измельчения зерна в сердцевине деталей и вторую при 780-800°С для получения высокой твердости на поверхности деталей.

Недостатками твердой цементации являются значительная трудоемкость, невысокая производительность и обилие угольной пыли и грязи. Однако этот процесс находит еще значительное применение, так как он не требует специального оборудования и прост в исполнении.

Газовая цементация заключается в насыщении поверхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Газовую цементацию широко применяют в машиностроении, так как она является прогрессивным и экономичным процессом. Этот процесс позволяет регулировать содержание углерода в поверхностном слое цементуемых деталей, меха­низировать и автоматизировать оборудование, а также производить полный цикл термической обработки в одном агрегате - цементацию, закалку, промывку и отпуск. Кроме того, себестоимость продукции и капитальные затраты при газовой цементации ниже, а условия труда рабочих-термистов лучше, чем при цементации в твердом карбюризаторе. При газовой цементации детали науглероживаются в 2 - 3 раза быстрее, чем при твердой цементации, а цементованный слой получается более однородным.

Жидкостная цементация производится в соляных ваннах при температуре 830-850°С. В качестве карбюризатора применяют карбид кремния SiC. Наилучшим составом ванны является состав, содержащий 75-85% Na2СО3, 10-15% NaCl и 6-10% SiC.

Жидкостную цементацию применяют для науглероживания мелких деталей, глубина цементованного слоя которых не должна превышать 0,5-0,6 мм.

Нитроцементация - это новейший процесс химико-термической обработки, при котором поверхность стальных деталей насыщается углеродом и азотом одновременно. Этот процесс экономичен, безвреден и позволяет получать поверхностные слои высокой твердости и износостойкости.

Цианирование. Процесс насыщения поверхности стальных Деталей углеродом и азотом называют цианированием. Существует два вида цианирования: высокотемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное цианирование применяют для повышения твердости и износостойкости поверхности деталей, изготовленных из конструкционной малоуглеродистой стали марок 10, 20, 35, 12ХНЗА и др., которые содержат 0,10-0,40% углерода. Оно производится в ваннах с такими расплавленными нейтральными солями, как NaCl, ВаСl2, Na2СОз и т. д. В качестве карбюризатора используют цианистые соли NaCN и KCN, основной компонент (циан) которых способствует насыщению деталей углеродом и азотом.

Для придания цианированному слою высокой твердости дета­ли подвергаются закалке в воде или масле в зависимости от марки стали. Закалку производят непосредственно в цианистой ванне с подстуживанием на воздухе до 780-800°С. Отпуск осуществляется при температуре 160-180°Св течение 90 мин.

Низкотемпературное цианирование применяют для повышения твердости на 2-4 единицы HRC, износо- и красностойкости режущего инструмента. Цианирование производится при 550-570°С для быстрорежущих сталей Р18 и Р9 и при 510 - 520°С для высокохромистых сталей. Цианирование осуществляется в соляных ваннах, которые содержат 50% NaCN и 50% KCN.

Азотирование. Процесс насыщения поверхности стальных деталей азотом называют азотированием. Этот процесс является одним из наиболее эффективных методов повышения износоустойчивости деталей. Азотированию подвергают шпиндели металлорежущих станков, гильзы, копиры, плунжеры, клапаны и другие детали, изготовляемые из стали 38ХМЮА и 35ХЮА.

После азотирования детали сначала вместе с печью охлаждают до 100°С, а затем - на спокойном воздухе. В результате такого охлаждения детали практически получаются без искажения размеров и после небольших доводок могут идти на сборку.

Азотирование - более длительный процесс, чем цианирование или цементация, и требует более точной обработки.

Для повышения коррозийной стойкости детали, изготовленные из углеродистой стали, азотируют при более низкой температуре.

Чтобы предохранить участки деталей, не подлежащие азотированию, применяют поверхностное лужение, т. е. электролитическое покрытие оловом.

Алитирование. Этот процесс применяют главным образом для придания поверхности стальных деталей особых физических свойств с целью повышения их жаростойкости. Алитированию подвергают детали, работающие при высоких температурах: камеры газификации, колосники решеток газогенераторных тракторов, чехлы термопар, цементационные ящики, трубы и т. д. Процесс алитирования основан на диффузии алюминия в сталь.

Существует три способа алитирования: жидкостный, твердый и металлизация. Наиболее производительным является способ металлизации. Сущность его состоит в том, что расплавленный алюминий под действием струи сжатого воздуха наносится на поверхность детали. Толщина алюминиевого слоя 0,8-1,0 мм. Алюминий берется в виде проволоки сечением 1,5-2 мм.

Хромирование. Целью этого процесса, так же как и алитирования, является повышение поверхностной твердости и жаростойкости. Хромирование производится в газовой среде, содержащей хлориды хрома, при температуре 900-1100°С в течение 10-20 час. В результате диффузии поверхность стальных деталей насыщается хромом на глубину 0,1-0,3 мм и приобретает высокую твердость, жаро- и коррозийную стойкость.

При диффузионной металлизации поверхность стали можно также насыщать кремнием (силицирование), бором (борирование) и т. д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: