Химико-термическая обработка металлов

Химико-термическая обработка заключается в обработке готовых деталей в активных средах, что приводит к изменению химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев. Химико-термическую обработку производят главным образом для поверхностного упрочнения металлов.

Наибольшее распространение получили: цементация, азотирование И цианирование.



Цементация производится при 900—950° С для науглероживания поверхности малоуглеродистой (менее 0,25%) незакалившейся стали до 0,8% С. Благодаря цементации, изделие становится двухслойным — поверхность науглероженная, сердцевина ненауглероженная. После цементации изделие подвергается закалке и низкотемпературному отпуску. При этом сердцевина не принимает закалку, остается вязкой и может работать в условиях динамических нагрузок, а поверхность приобретает мартенситную поверхность на глубине около 1,0 мм и хорошо сопротивляется износу при трении.

Цементация осуществляется в твердом или газообразном карбюризаторе; в обоих случаях переносчиком атомов углерода является газовая фаза.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия упаковывают с смеси, состоящей из 70—80% древесного угля и 20—30% углекислых солей (ВаСО3, Na2CO3 или К2СО3), играющих роль катализатора и способствующих выделению углерода в атомарном состоянии, необходимого для цементации.

Цементированная поверхность годится для эксплуатации при невысоких температурах, так как при температуре выше 150— 200° С мартенсит распадается.

Газовая цементация имеет значительные преимущества перед цементацией в карбюризаторах: технология более гигиенична, процесс протекает в два-три раза быстрее, меньше вырастает аустенитное зерно (особенно если применяют стали, мало чувствительные к росту зерна), а поэтому отпадает надобность в промежуточных операциях (термическая обработка для измельчения зерна).

Газовая цементация требует специальное, более сложное оборудование, и применяется при массовом производстве.

Газовая цементация легче всего осуществляется в цементирующих газах типа предельных углеводородов (СnН2n+2), как метан, пропан, бутан и др. При нагревании газов до высоких температур (900—970° С) выделяется атомарный углерод (CH4 —> С + 2Н2), который цементирует сталь. Например, при нагреве метана

Весьма производительным является процесс газовой цементации с нагревом токами высокой частоты. Так, при цементации автомобильных шестерен из стали 18ХГТ при нагреве т. в.ч. до 1050—1080° С в атмосфере городского газа время для получения цементированного слоя в 0,8—1,2 мм составляет всего 40 мин.



Способ азотирования основан на образовании в поверхностном слое твердого раствора азота в железе и нитридов. Твердость азотированной поверхности значительно выше твердости цементированной закаленной поверхности и достигает 1100—1200НВ. Азотирование проводится при относительно низких температурах (~500—600° С) в среде аммиака, который, разлагаясь, выделяет атомарный азот, способный реагировать с металлом

Длительность азотирования примерно в десять раз больше длительности цементации и составляет 20—50 час. для глубины 0,2—0,4 мм.

Азотирование требует специальной легированной стали, так как хорошие результаты получаются только тогда, когда образуются специальные нитриды хрома, молибдена, алюминия и др. В этом случае получаются очень твердые нитриды, кроме этого, они хорошо концентрируются на поверхности (не диффундируют на большую глубину).

Наилучшей сталью для азотирования считается сталь 38ХМЮА (0,30—0,38% С, 1,35—1,65% Cr, 0,4—0,6% Mo, 0,75— 1,1% Al).

Твердость азотированного слоя является естественной, т. е. получается без закалки, поэтому азотированная поверхность годится для эксплуатации при относительно высоких температурах (до 400—500° С), например для гильз двигателей и т. п.

Кроме теплоустойчивости и высокой твердости, азотированная поверхность хорошо противостоит атмосферной коррозии. Последнее свойство успешно используется для декоративных целей. При декоративном азотировании твердость может быть небольшая, а поэтому годится простая сталь. Это азотирование занимает только 2—3 час., поскольку в данном случае не требуется большая глубина азотирования.



Процесс поверхностного насыщения стали углеродом и азотом одновременно называется цианированием. Оно приводит к повышению поверхностной твердости, износоустойчивости и усталостной прочности.

Различают низкотемпературное (при 540—560° С) цианирование в основном для термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали и высокотемпературное (при 780—950° С) цианирование для изделий из цементуемой и среднеуглеродистой машиностроительной стали.

Цианирование проводят как в жидких средах (расплавах солей NaCN и NaCl), так и в газовых средах (смесях 20—30% аммиака и 70—80% углеводородов). Время цианирования от 0,5 до 2—4 час.