Лекция 12 Поверхностное упрочнение стали

Химико-термическая обработка стали

Существует большое количество деталей, к свойствам поверх­ностного слоя металла которых предъявляются иные требования, нежели к свойствам внутренних слоев. Например, зубья шестерен в процессе работы испытывают сильное трение, поэтому они долж­ны обладать большой твердостью. Однако ступица и внутренняя часть зубьев должны иметь небольшую твердость и хорошую вяз­кость, с тем чтобы зубья не разрушались от толчков и ударов. Следовательно, зубья шестерен должны быть твердыми на поверх­ности и вязкими в сердцевине. Если деталь работает в морской воде или в среде кислот и щелочей, ее поверхность должна хорошо сопротивляться коррозии. Для повышения устойчивости детали против коррозии требуется определенный химический состав ее поверхностного слоя. Вместе с тем внутренние слои металла не входят в соприкосновение с указанными средами, поэтому могут иметь обычный химический состав. Для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей осуще­ствляется их тепловая обработка в химически активной среде, на­зываемая химико-термической обработкой.

При химико-термической обработке происходят следующие про­цессы: распад молекул и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация), поглощение атомов поверхностью (адсорб­ция) и проникновение атомов в глубь металла (диффузия).

Основные виды химико-термической обработки стали: цемента­ция, азотирование, цианирование, нитроцементация, сульфоцианиро-вание, алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др.

Цементация

Цементация — диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняют термическую об­работку — закалку и низкий отпуск. Цементации подвергают де­тали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибра­цию и удары. Такие детали должны иметь твердую закаленную поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую серд­цевину, способную выдерживать динамические нагрузки. Если по­добные детали изготовить из стали с высоким содержанием угле­рода, то после термической обработки поверхность их будет твердой и износоустойчивой, а сердцевина — твердой и хрупкой. В ре­зультате ударных нагрузок такие детали могут разрушиться. Де­тали из малоуглеродистой стали будут мягкими и вязкими, выдер­жат вибрацию и удары, но зато быстро износятся при истирании. Оптимальные свойства достигаются в том случае, если детали из­готовляются из малоуглеродистой стали, а затем подвергают це­ментации с последующей закалкой.

На поверхности цементированной ста­ли образуется заэвтектоидная зона (пер­лит и сетка цементита), далее распола­гается эвтектоидная зона (перлит) и при переходе к сердцевине — переходная зона (феррит и перлит). За толщину цементированного слоя принимают сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зон (рисунок 9.5). С повышением температуры и времени выдержки толщина це­ментированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5— 2 мм. На каждые 0,1 мм толщины слоя требуется выдержка около 1 ч.

I — заэвтектоидная; II — эвтектоидная; III — доэвтектоидная; IV — глубина цементированного слоя

Рисунок 9.5 – Микроструктура цементированной стали по зонам

К недостаткам твердой цементации следует отнести большую трудоемкость и продолжительность процесса, сложность регулиро­вания толщины цементированного слоя и содержания углерода в нем, загрязнение воздуха угольной пылью.

Цементацию в твер­дом карбюризаторе применяют в мелкосерийном и единичном про­изводствах.

При массовом и крупносерийном производствах применяется газовая цементация в специальных герметически закрытых печах. По сравнению с цементацией в твердом карбюри­заторе газовая цементация дает возможность повысить скорость процесса, увеличить пропускную способность оборудования и про­изводительность труда, улучшить условия работы, осуществить ав­томатизацию и регулирование процесса насыщения металла угле­родом.

В ходе газовой цементации атомарный углерод образуется при разложении углеводородов и окиси углерода. Основным углево­дородом является метан СН₄, разложение которого идет по реак­ции: СН₄→ 2Н₂ + С_ат. Окись углерода диссоциирует по формуле 2СО ↔ СО₂ + С_ат.

Заданную концентрацию углерода в поверхностном слое полу­чают путем автоматического регулирования состава газа (приме­няют газ-разбавитель, например эндогаз). Обычно для цементации используют смесь природного газа с эндогазом, что повышает ак­тивность газовой среды, характеризуемой углеродным потенциа­лом (под углеродным потенциалом атмосферы понимают ее науг­лероживающую способность, обеспечивающую определенную кон­центрацию углерода на поверхности цементированного слоя). Для цементирования слоя глубиной 1 мм при газовой цементации тре­буется 3-4 ч (при цементации в твердом карбюризаторе — 10 ч).

Защита участков поверхности от цементации и нитроцементации производится путем гальванического меднения, забивкой отверстий и внутренних полостей смесью шамотного или квар­цевого песка с порошком окалины. Наиболее трудоемким и слож­ным является способ гальванического меднения. В последние го­ды довольно успешно применяют антицементационную пасту АЗЛК.

После цементации детали подвергают термической обработке для обеспечения высокой твердости поверхности, исправления струк­туры перегрева и устранения карбидной сетки в цементированном слое. Закалку производят при 780-850 °С с последующим отпус­ком при 150—200 °С. При этом происходит измельчение зерна цементированного слоя и частично зерна сердцевины. После це­ментации в твердом карбюризаторе в целях получения мелкозер­нистой структуры поверхностного слоя и сердцевины выполняют двойную закалку (рис. 10.6). В процессе первой закалки деталь нагревают выше температуры точки A_c3 на 30-50 °С, в результате чего измельчается структура сердцевины и устраняется цементитная сетка в поверхностном слое. При второй закалке деталь на­гревают выше температуры точкиА_с1 на 30-50 °С, вследствие чего измельчается структура цементованного слоя, обеспечивается вы­сокая твердость. Двойная закалка способствует повышению меха­нических свойств деталей, но увеличивает их коробление, окисле­ние и обезуглероживание. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 150-200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердости стали.

I — цементация; II — двойная закалка; III — низкий отпуск

Рисунок 9.6 – Термическая обработка деталей ответственного назначения после цементации

После двойной закалки поверхностный слой имеет структуру мартенсита с равномерно распределенными карбидами и небольшим коли­чеством остаточного аустенита. Двойную закалку применяют для тяжелонагруженных деталей машин, от которых требуются высокая твердость, прочность и ударная вязкость.

При газовой цементации детали из мелкозернистой стали под­вергают закалке сразу из цементационной печи с предваритель­ным подстуживанием до 840-860 °С (рисунок 10.7), а затем отпуску. Подстуживание позволяет уменьшить коробление и количество остаточного аустенита, за счет чего повышается поверхностная твердость. Такой способ закалки исключает возможность окисле­ния и обезуглероживания поверхностных слоев, уменьшает ко­робление, создает предпосылки для механизации и автоматиза­ции процессов цементации, закалки и отпуска, снижает стоимость термообработки.

а — после охлаждения от цементационной температуры до комнатной; б — с подстуживанием;

I — цементация; II — закалка; III — отпуск; IV — подстуживание

Рисунок 9.7 – Схема закалки стали после цементации

Для уменьшения количества остаточного аустенита в цемен­тированном слое высоко- и среднелегированных сталей после за­калки рекомендуется их обработка холодом (чаще проводят вы­сокий отпуск при 600-640 °С). В целях уменьшения коробления цементированные детали (например, зубчатые колеса) следует за­каливать в горячем масле при 160-180 °С либо в штампах.

В случае нарушения технологии цементации возможно появ­ление брака — при чрезмерной глубине цементированного слоя, наличии мягких пятен на поверхности, возникновении цементи­рованного слоя на защищенных поверхностях. При недостаточ­ной глубине цементированного слоя, его неравномерности, пони­женном количестве углерода в слое или резком перепаде его концентрации проводят повторную цементацию. Повторная за­калка цементированных деталей необходима при низкой твердо­сти поверхности, большом количестве остаточного аустенита, фер­рита или троостомартенсита в их сердцевине.

Азотирование

Азотирование — это химикотермическая обработка, при кото­рой происходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азо­том. В результате азотирования обеспечиваются высокая твердость поверхностного слоя (до 72 HRC_э), высокие усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, большая устойчивость против изнашивания и коррозии. Азотирование проводят при тем­пературах 500-520 °С в течение 8-90 ч. Глубина азотированного слоя — 0,1-0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до 200-300 °С вместе с печью в потоке аммиака, а затем на воздухе. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твердость азотированного слоя.

Для нагрева деталей служат специальные герметичные печи, в которые подают аммиак NH₃. При нагреве аммиак разлагается: 2NH₃ → ЗН₂ + 2N_aт. Атомарный азот N поглощается поверхностью стали и проникает в глубь ее. В поверхностном слое азот образу­ет химические соединения — нитриды (железа Fe₂N, хрома CrN, молибдена MoN, алюминия A1N), которые придают стали боль­шую твердость (до 1200 HV). Поверхностный слой не поддается травлению. Глубже него находится сорбитообразная структура.

Азотирование проводят по одноступенчатому и двухступенчато­му режимам. По одноступенчатому режиму азотируют инструмент из быстрорежущей стали (метчики, зенкеры, сверла, фрезы). Стойкость такого инструмента после обработки увеличивается в два-три раза. Двухступенчатое азотирование применяют для упрочне­ния штампов горячей штамповки и штамповых вставок. Стой­кость штампового инструмента в результате азотирования по­вышается в 1,5-2 раза. Двухступенчатый режим азотирования позволяет сократить время обработки деталей в два раза. На пер­вой ступени процесс ведут при 500-510 °С с выдержкой 8-10 ч, на второй ступени — при 570-590 °С в течение 18-20 ч. Детали охлаждают вместе с печью до 200 °С. При двухступенчатом режи­ме азотированный слой получается с меньшей хрупкостью.

Азотированию в целях повышения твердости поверхности под­вергают зубчатые колеса, гильзы, валы и другие детали из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др.

Азотирование — последняя операция в технологическом про­цессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят пол­ную термическую и механическую обработку (даже шлифование), после азотирования допускается только доводка со съемом метал­ла до 0,02 мм на сторону. Антикоррозионное азотирование лю­бых сталей выполняют на небольшую глубину при температурах 600-700 °С в течение 1-2 ч. Такое азотирование часто совмеща­ют с закалкой при 770-850 °С (стали У8, У10 и др.) с выдержкой 10-15 мин и охлаждением в воде или масле.

В ряде отраслей промышленности используют ионное азотиро­вание, ионитрирование или азотирование в плазме тлеющего раз­ряда. Благодаря своим преимуществам эти виды азотирования постепенно вытесняют газовое азотирование.

Ионное азотирование осуществляют в герметичном контейнере, в котором создается разреженная азотосодержащая атмосфера. Для этой цели применяют чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Размещенные внутри контейнера детали подключают к отрицательному полюсу источника постоянной электродвижущей силы. Они выполняют роль катода. Анодом служит корпус кон­тейнера. Между анодом и катодом включают высокое напряжение (500-1000 В) — происходит ионизация газа. Образующиеся положи­тельно заряженные ионы азота устремляются к отрицательному по­люсу — катоду. Электрическое сопротивление газовой среды вблизи катода резко возрастает, вследствие чего почти все напряжение, пода­ваемое между анодом и катодом, падает на сопротивление вблизи катода (на расстоянии нескольких миллиметров от него). Возле ка­тода создается высокая напряженность электрического поля. Ионы азота, входя в эту зону высокой напряженности, приобретают боль­шие скорости и, ударяясь о деталь (катод), внедряются в ее поверх­ность. Высокая кинетическая энергия, которой обладали ионы азота, переходит в тепловую. Деталь за короткое время (15-30 мин) разо­гревается до 470-580 °С, происходит диффузия азота в глубь металла, т. е. азотирование. При соударении ионов с поверхностью детали ионы железа выбиваются с ее поверхности, за счет чего обеспечивает­ся очистка поверхности от окисных пленок, препятствующих азоти­рованию. Это особенно важно для азотирования коррозионно-стой­ких сталей, у которых пассивирующая пленка обычными способами удаляется с большим трудом.

Ионное азотирование по сравнению с азотированием в печах поз­воляет сократить общую продолжительность процесса в два-три раза, уменьшить деформацию деталей за счет равномерного нагрева, со­здает возможность регулирования процесса в целях получения азо­тированного слоя с заданными свойствами. Азотирование коррози­онно-стойких сталей и сплавов достигается без дополнительной депассивирующей обработки. Достигается толщина азотированного слоя 1 мм и более, твердость поверхности — 500-1500 HV. Ионному азотированию подвергают детали насосов, форсунок, ходовые винты станков, валы и многое другое.

Цианирование

Цианирование — процесс химико-термической обработки, за­ключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях. Результаты цианирования определяются глубиной слоя, а также концентрацией углерода и азота в поверхностном слое и зависят от температуры и продолжительности процесса. Повышение тем­пературы приводит к увеличению содержания углерода в слое, сни­жение — к росту содержания азота. Глубина цианированного слоя с повышением температуры возрастает. В зависимости от темпера­туры различают три вида цианирования: низко-, средне- и высоко­температурное.

Низкотемпературное цианирование производят при 550-570 °С в соляных ваннах, содержащих 40 % цианистого калия (KCN) и 60 % цианистого натрия (NaCN), через которые пропускают су­хой воздух. Насыщение стали азотом в этом случае происходит в большей степени, чем углеродом. Низкотемпературное цианиро­вание применяют в целях повышения твердости, износостойкости и теплостойкости инструмента из быстрорежущей стали, а также деталей из среднеуглеродистых сталей. Продолжительность про­цесса 0,5-3 ч. Глубина цианированного слоя 0,015-0,04 мм. Среднетемпературное цианирование выполняют при 800-820 °С в рас­плавленных солях, содержащих 40 % цианистого натрия (NaCN), 40 % хлористого натрия (NaCl) и 20 % кальцинированной соды (Na₂CО₃). Продолжительность процесса 30-90 мин. Глубина циа­нированного слоя 0,15-0,35 мм. Детали закаливают прямо из ци­анистой ванны, а затем отпускают при 180-200 °С. Твердость ци­анированного слоя после термической обработки 52-62 НRС_Э. Планированный слой содержит 0,8-1,2 % азота и 0,6-0,7 % углерода. Высокотемпературное цианирование проводят при 930-960 °С в расплавленных солях, содержащих 8 % цианистого натрия, 10 % хлористого натрия и 82 % хлористого бария (ВаС1)₂. Продолжительность процесса 1,5-6 ч. Глубина цианированного слоя 0,15-2 мм. Поскольку высокая температура цианирования вызывает рост размеров зерна аустенита, непосредственную за­калку не производят. Детали сначала охлаждают на воздухе, а за­тем подвергают закалке и низкому отпуску. Твердость цианиро­ванного слоя после термической обработки 63-65 HRC_э. Цианированный слой содержит 0,2-0,3 % азота и 0,8-1,2 % углерода. По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирова­ние уменьшает возможность деформации и коробления деталей сложной формы, обеспечивает более высокое их сопротивление изнашиванию и коррозии, требует меньше времени для проведе­ния процесса. Недостатки цианирования — сильная ядовитость цианистых солей (для каждой ванны необходимо иметь отдель­ное помещение и совершенные вентиляционные устройства) и от­носительно высокая стоимость процесса.

Нитроцементация

Нитроцементацией называется процесс химико-термической обработки, при котором происходит одновременное насыщение по­верхностных слоев стальных изделий углеродом и азотом в газо­вой среде. Процесс осуществляют в газовой смеси из науглерожива­ющего газа и диссоциированного аммиака при 850-870 °С, время выдержки 2-10 ч, толщина получаемого слоя 0,2-1 мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому от­пуску при 160-180 °С. Твердость поверхностного слоя 60-62 HRC_э, при нитроцементации совмещают процессы газовой цементации и азотирования. В газовую смесь входят эндогаз, до 13 % природного газа и до 8 % аммиака. В рабочее пространство шахтной печи вводят в виде капель жидкий карбюризатор — триэтаноламин.

При глубине слоя больше 1 мм трудно предотвратить его пере­сыщение азотом и образование дефектов структуры, снижающих усталостную прочность. Поэтому для легированных сталей про­цесс выполняют в атмосфере с минимальным количеством аммиа­ка (до 3 %). В этом случае насыщение слоя углеродом происхо­дит значительно интенсивней, чем азотом. Такой процесс называют карбонитрированием. Нитроцементации подвергают преимуще­ственно малолегированные и углеродистые стали при повышенном содержании в них аммиака. По сравнению с газовой цементацией нитроцементацию проводят при более низкой температуре с мень­шей продолжительностью процесса, что обеспечивает большую из­носостойкость деталей, меньшее их коробление, позволяет регули­ровать насыщение поверхностного слоя. Стоимость процесса нит­роцементации ниже стоимости процессов газовой цементации и цианирования. Преимуществом нитроцементации является так­же безвредность процесса.

Борирование

Борирование — диффузионное насыщение поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде в целях повы­шения твердости, коррозионной стойкости, теплостойкости и жаро­стойкости поверхностей стальных деталей. Различают два способа борирования: электролизное и газовое. При электролизном борировании в тигель с расплавленной бурой (950 °С) помещают гра­фитовый стержень (анод) и обрабатываемое изделие (катод). Бура разлагается, образуя атомарный бор, диффундирующий в поверхность детали. Газовое борирование осуществляют при 850-900 °С в газо­вой смеси, состоящей из диборана В₂Н₆ и водорода. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм. Твердость 1800-2000 HV. Недостаток борированного слоя — высокая хрупкость. Борированию подвергают траки, втулки грязевых и нефтяных насосов и другие сильно изнашивающиеся детали