Термообработка крепежных изделий. |

Термообработка крепежных изделий. | 12.03.2012

Упрочняющей термообработке (ТО) подвергается большинство стальных заготовок. Конструкторы стараются повысить твердость многих стальных деталей, так как это позволяет снизить габариты многих узлов. В технологии изготовления деталей из цветных сплавов и чугунов ТО обычно не применяется.
ТО усложняет технологию механической обработки, но ее применение это основная тенденция в современном производстве. Перспективным следует считать замену болтов и гаек с низким классом прочности на высокопрочные.
Операции обработки резьб, как правило, выполняются до ТО, если таковая имеется в технологическом процессе.
В современных условиях требования к ТО таковы, чтобы деформации были минимальны и стабильны, поэтому для резьбовой поверхности всегда желательна ТО в печах с защитной средой. Достижение стабильных параметров деформации позволяет учесть их величину при механической обработке за счет ужесточения технологического допуска или соответствующего уменьшения размера резьбы. Если значения деформации остаются большими и не удается добиться ее стабилизации, тогда резьбу необходимо изготовливать после ТО за одну операцию.
При этом возможны два варианта построения технологического процесса;

1. участок заготовки, на котором будет резьба, предохраняют, а ТО выполняется лишь на требуемых поверхностях заготовки. После этого можно применять те же операции обработки резьб, что и для нетермообработанных заготовок;
2. если участок заготовки, где будет резьба нельзя предохранить от ТО, то после ее проведения в технологический процесс включают операцию, которая позволяет вести обработку резьбы на заготовке повышенной твердости. К таким операциям относят точение и вихревое нарезание резьб с помощью твердосплавных резцов, а также шлифование. Твердосплавный инструмент позволяет вести обработку заготовок твердостью до HRC 50, а абразивный — до HRC 70. Если данные операции невозможно выполнить в силу технических, организационных или экономических причин, то резьбу выполняют за две операции:

1. обработка резьбы до ТО;
2. финишная операция после ТО.

Для окончательной ТО крепежа один из следующих технологических процессов:

• улучшение (отпуск на заданную твердость);
• цианирование или нитроцементацию с последующим отпуском на требуемую твердость;
• изотермическую закалку с отпуском.

В табл. 1 приведены типичные режимы ТО для наиболее часто используемых сталей.

Химико-термическая обработка (азотирование, цементация) резьбовых деталей существенно повышает предел выносливости соединений. Азотирование по эффекту аналогично операции обкатки, так как в обоих случаях в поверхностных слоях создаются остаточные напряжения. Необходимо иметь в виду, что нитридные слои хрупки и склонны к растрескиванию при σ = 0,7 στ. Предел выносливости при этом снижается, поэтому азотирование можно применять, если затяжка болтов невелика, т. е. σ = (0,2 . 0,3) στ.

ТО болтов полученных методом накатки.
Если ТО проводить после накатывания, то резьба теряет свои преимущества, так как при нагреве происходит снятие полезных остаточных напряжений (табл. 2). Таким образом, ТО болтов с резьбой, изготовленной методом пластической деформации, нецелесообразна. Это относится и к болтам, головки которых получены холодной высадкой.
Табл. 2 Значения σαп для резьбовых соединений в зависимости от термической и химико-термической обработки (σ_m=200 МПа)

Следует отметить, что при ТО готовых болтов происходит обезуглероживание поверхностных слоев, которое снижает предел выносливости соединений с накатанной резьбой до значений σ_αп для соединений с нарезанной резьбой. Во избежание обезуглероживания ТО следует проводить в печах с защитной атмосферой.
Зависимость влияния содержания углерода СС в поверхностном слое на сопротивление усталости болтовых соединений показана на рис 1. Анализ зависимости показывает, что материал болтов не должен содержать как малого, так и слишком большого количества углерода.

Для получения требуемых свойств резьбовых деталей в достаточно узком дипазоне необходимо тщательнао отрабатывать технологический процесс ТО и соблюдать специфические требования к оборудованию.
Решающее влияние на качество ТО крепежа оказывает:

• размещение деталей в рабочем пространстве печи во время нагрева;
• способ погружения деталей в закалочную жидкость;
• интенсивность охлаждения закаливаемых деталей.

В условиях массового производства детали не рекомендуется располагать в несколько слоев в неподвижном состоянии, потому что при этом не обеспечивается равномерный нагрев, равномерное омывание технологическим газом всех поверхностей деталей. Из нагревательной печи в ванну с закалочной жидкостью детали должны попадать как можно быстрее, чтобы не допустить, так называемой, неполной закалки.
На рис. 2 приведена общая схема современного автоматического конвейерного агрегата для ТО.

Нажмите на рисунок, чтобы увидеть его полностью:

Бункерное 1 и дозирующее 2 устройства обеспечивают укладку деталей в один ряд, что позволяет произвести их равномерный нагрев. Дозирующие устройства 5 и 9, обеспечивают охлаждение деталей после высокотемпературного нагрева (4) в насыщающей или нейтральной средах или после отпуска (8). Ванна 6 предназначена для охлаждение в масле или солях, а ванна 10 — в воде или эмульсии. Важным при ТО является промывка деталей, как перед аустенизацией (3), так и перед отпуском (7).
Получение требуемых свойств при ТО крепежа на универсальном оборудовании решается созданием специальной оснастки и приспособлений. Их применение обеспечивает идентичные условия нагрева и охлаждения каждой детали, причем чем меньше сечение и масса деталей, тем выше требования, предъявляемые к приспособлениям и вспомогательной оснастке.

Вся продукция имеет необходимые сертификаты соответствия,
сертификаты качества изделия и технические паспорта.

Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками.

В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах.

Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого контакта его с поверхностью изделия. Этот процесс мало эффективен, и применяют его редко. Обычно твердую среду используют для создания активной газовой или паровой фазы, из которой атомы поступают в изделие.

Например, при цементации в твердом карбюризаторе (древесном угле) атомы углерода, диффундирующие в сталь, образуются из окиси углерода (2СО → C + CO₂), а древесный уголь необходим лишь для образования газовой фазы.

Другой пример — диффузионное хромирование в «твердой» среде, когда изделие упаковано с порошком хрома или феррохрома. При нагреве хром испаряется и его атомы поступают в изделие главным образом из паровой фазы, а не в местах прямого контакта порошка с поверхностью изделия.

При химико-термической обработке в жидкой среде атомы элемента, диффундирующего в изделие, образуются в результате химических реакций в расплавленной соли (например, в NaCN при цианировании стали) или непосредственно поступают из расплавленного металла (например, из расплава алюминия при диффузионном алюминировании стали).

При химико-термической обработке в газовой среде диффундирующий элемент образуется в результате реакций диссоциации (СН₄ → С + 2Н₂), диспропорционирования (2СО → С + СО₂), обмена (CrCl₂ + Fe → Cr + FeCl₂) и восстановления (VCl₂ + H₂ + 2НСl).

Газовая среда и активная газовая фаза, образующаяся при нагреве изделий в твердой среде, в промышленных процессах служат самыми распространенными поставщиками атомов элементов, которыми обогащаются поверхностные слои изделия.

Для химико-термической обработки наиболее удобна чисто газовая среда: ее состав легко регулировать, она быстро прогревается до заданной температуры, позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс химико-термической обработки и сразу проводить закалку (без повторного нагрева).

Приведенные примеры показывают, что классификация методов химико-термической обработки по агрегатному состоянию среды, в которую помещено изделие, не всегда согласуется с физико-химической сущностью процесса обработки.

Основываясь на физико-химической характеристике активной фазы, поставляющей диффундирующий элемент, Г. Н. Дубинин предложил следующую классификацию методов химико-термической обработки: насыщение из твердой фазы, насыщение из паровой фазы, насыщение из газовой фазы и насыщение из жидкой фазы.

Согласно этой классификации, цементацию стали в твердом карбюризаторе следует относить к методу насыщения из газовой фазы, а диффузионное хромирование в порошке хрома — к методу насыщения из паровой фазы.

По характеру изменения химического состава обрабатываемого изделия все разновидности химико-термической обработки можно разделить на три группы: диффузионное насыщение неметаллами, диффузионное насыщение металлами и диффузионное удаление элементов. Эти группы включают разнообразные промышленные процессы химико-термической обработки.

Разновидности химико-термической обработки

Каждый процесс химико-термической обработки может осуществляться разными методами (насыщением из газовой, паровой, жидкой или твердой фазы) и в самом разнообразном техническом наполнении (например, с получением активной газовой фазы в рабочем пространстве печи или в отдельном генераторе и т. п.).

Подробный анализ этих процессов можно найти в монографиях А. Н. Минкевича, Ю. М. Лахтина и Г. Н. Дубинина. Ниже в качестве примеров кратко рассмотрены некоторые типичные разновидности химико-термической обработки. Эти примеры относятся главным образом к сталям, так как химико-термическая обработка чугунов и цветных металлов и сплавов в промышленности применяется несравненно реже.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Химико-термическая обработка металлов

Химико-термическая обработка металлов — нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твёрдых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определёнными элементами. Их называют насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, то есть изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:

• однокомпонентные: цементация стали — насыщение углеродом; азотирование — насыщение азотом; алитирование — насыщение алюминием; хромирование — насыщение хромом; борирование — насыщение бором; силицирование — насыщение кремнием;
• многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) — насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование — насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование — насыщение хромом и кремнием и т. д.

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже — сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и ещё реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определённое время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твёрдыми, жидкими или газообразными.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твёрдой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)

В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.

При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определённые процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:

1. реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента); в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава;
2. процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев — удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду;
3. диффузия в насыщаемом сплаве;
4. реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т. д.).

Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО.

Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочнённого слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав, то есть содержание тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

ХТО применяют с целью:

металлов и сплавов (повышения твёрдости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т. д.);
• сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;
• придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т. д.);
• придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
• облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).

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.

Химико-термическая обработка стали (стр. 1 из 2)

Химико-термической обработкой стали называется процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.

Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структурВместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.

Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:

1. Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО₂ + С; 2NH₃ ↔ ЗН₂ + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.

2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.

3. Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.

Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.

2. Цементация стали

Цементацией называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.

Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной. На цементацию поступают механически обработанные детали gприпуском на шлифование 0,05—0,10 мм.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1—0,2 %.

На поверхности концентрация углерода достигает 1,0 %. Глубина цементованного слоя (при содержании углерода порядка 0,4 %) обычно лежит в пределах 0,5—2,5 мм. Для достижения высокой твердости поверхности и вязкой сердцевины после цементации всегда проводится закалка с низким отпуском.

Различают два основных вида цементации; в твердой и газовой средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.

Твердая цементация производится в специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов. В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО₃ или Na₂CO₃. При нагреве до температуры 930—950 °С идут реакции:

ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО,

Образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку γ-железа.

Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас₃, когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворимость углерода выше. В течение 8—10 ч образуется слой толщиной около 1мм.

Газовая цементация является основным процессом массового производства. Стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих СО, СН₄ и др. Газовая цементация проходит быстрее, так как не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6—7 ч.

После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Полученный в результате цементации наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито-перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.

3. Азотирование стали

Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.

Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак.. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:

Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV900.

Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например 3X2BS, 5ХНМ.

Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.

Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.

Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.

4. Цианирование стали

Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом.

Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.

При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН₄ и NH₃. Состав и свойства цианированного слоя зависят от температуры проведения цианирования.

В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850—950 °С) и низкотемпературное (500—600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у этих элементов в отдельности.

При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и за- точенный режущий инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 0,01—0,04 мм о твердостью HV1000.