Термическая обработка металлов

  При среднем (нагрев в пределах 300—500 °С) и высоком (500—700 °С) отпуске структура  мартенсита переходит соответственно в структуру троостита или  сорбита. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Средний отпуск применяют при производстве кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий—для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

2. Химико – термическая  обработка. Её  виды.

  Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными  твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для  этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод, азот, алюминии, хром, кремний и др.

  Эти элементы диффундируют в поверхностный  слой лучше, когда они выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование.

  Цементация. Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине за готовка остается вязкой. Цементации подвергают такие изделия, которые работают одновременно на истирание и удар.

  Существуют  два вида цементации: цементация твердым  карбюризатором и газовая цементация.

  При цементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в  смеси с углекислыми солями —  карбонатами (ВаСО3, Nа2СО3, К2СО3, СаСО3 и  др.).

  Цементации  подвергают заготовки из углеродистой или легированной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации.

  Для цементации заготовки помещают в  стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5—10 ч при температуре 930—950 °С.

  Технология  цементации деталей в твердом  карбюризаторе заключается в  следующем. Детали очищают от грязи, масла, окалины и упаковывают в цементационный ящик. На дно ящика насыпают карбюризатор слоем 25—30 мм,

  на  него укладывают первый ряд деталей.

  Расстояние  между деталями должно быть  15—20 мм, а между деталями и стенкой  ящика 15—25 мм. На первый ряд деталей  насыпают карбюризатор и укладывают  следующий ряд деталей, снова засыпают  карбюризатор, и так до заполнения ящика  до верха. Сверху ящик закрывают крышкой  и обмазывают глиной (рис. 3).

  Рис. 3. Упаковка деталей в цементационный ящик:

  1 — ящик; 2 — карбюризатор; 8 — «свидетели»; 4 — детали.

  При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается  по реакции 

  ВаСО3 + С ® ВаО + 2СО.

  В результате образуется оксид углерода, который на поверхности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его массовое содержание в аустените, далее по достижении предела растворимости образуется цементит

  3Fe + С ® Fe3С.

  Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют  от карбюризатора нанесением на них  обмазок или омедняют электролитическим  способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5—3 мм; цементированные  заготовки содержат в поверхностном  слое 0,95— 1,1 % С.

  При газовой цементации в качестве карбюризатора  применяют различные газы и газовые  смеси (природный, светильный, генераторный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углеводороды, из которых  особое значение имеет метан СН4. Газовую цементацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900— 950 °С и непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые каплями подаются в печь и, испаряясь, образуют газы- карбюризаторы.

  Преимуществом газовой цементации перед цементацией  твердым карбюризатором являются двух-трехкратное  ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процессом. Газовая цементация применяется очень широко.

  Цементированные заготовки подвергают однократной  или двойной закалке и низкому  отпуску. Однократную закалку с  нагревом до 820—850 °С применяют в  большинстве случаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительная вы-держка в горячей печи при цементации не сопровождается большим ростом зёрен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840— 860 °С.

  Двойную закалку применяют, когда нужно  получить высокую ударную вязкость и твёрдость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят;

  I) закалку пли нормализацию с  нагревом до температуры 880- 9000 С для исправления структуры  сердцевины и ликвидации (растворения)  цементитной сетки поверхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760— 780 °С для измельчения структуры цементированного слоя и придания ему высокой твердости (до 60—64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкому отпуску (150— 170 °С).

  Углеродистая  сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовок из такой стали независимо от скорости охлаждения имеет структуру перлит + феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую критическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

  Азотирование. Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака

  2NH3 ® 2N + ЗН2.

  Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, титан, вольфрам, ванадий, молибден или  хром (например, сталь марок 35ХМЮА, 35ХЮА  и др.).

  Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500— 600 °С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными легирующими элементами и железом образует очень твердые химические соединения — нитриды (A1N, MoN, Fe3N и др.).

  Азотирование  на глубину 0,2—0,5 мм продолжается 25—60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ  перед цементацией: температура  нагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100—1200 по Виккерсу, вместо 800—900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и меньшая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для деталей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).

  Азотирование  приводит к некоторому увеличению размеров заготовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.

  Цианирование. Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

  Жидкостное  цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCН, KCН, Са(CN)2., и др.) при температуре, достаточной для разложения их с  выделением активных атомов Си N.

  Низкотемпературное (550—600 °С) цианирование применяют главным  образом для инструментов из быстрорежущей  стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавах  чистых цианистых солей. Высокотемпературное (800—850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20—40 %-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями (NaCl, Na.2CO3 и др.) для повышения температуры плавления ванны. Продолжительность жидкостного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2—0,5 мм.

  После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различных изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при цементации, а износо- и коррозионная стойкость более высокие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

  Газовое цианирование отличается от газовой  цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

  При низкотемпературном (500—700 °С) газовом  цианировании в сталь преимущественно  диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это цианирование так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для обработки инструментов из быстрорежущей стали.

  При высокотемпературном газовом цианировании (800—850 °С) в сталь диффундирует значительное количество углерода с образованием аустенита. После высокотемпературного цианирования заготовки закаливают.

  При газовом цианировании, называемом также  нитроцементацией, отпадает необходимость  в применении ядовитых солей и, кроме  того, имеется возможность обработки  более крупных деталей.

  Диффузионная  металлизация. Наиболее распространенными видами диффузионной металлизации являются алитирование, хромирование, силицирование.

  Алитирование  представляет собой поверхностное  насыщение стальных и чугунных заготовок  алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Его применяют преимущественно для деталей, работающих при высоких температурах (колосников, дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 10000С) повышается жаростойкость стали.

  Для алитирования алюминий сначала наносят  на заготовку распылением жидкой струи сжатым воздухом, затем нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузионный отжиг заготовок при температуре 920 °С в течение 3 ч. В процессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием на глубину в среднем 0,5 мм.

  Диффузионное  хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и  шамота, смоченных соляной кислотой или в газовой среде при  разложении паров хлорида хрома  СrCl2. Хромированию подвергаются в основном стали с массовым содержанием углерода не более 0,2 %. Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п. Хромированные детали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах (азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали из дефицитной высокохромовой стали.

  Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных заготовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, применяется  для деталей, используемых в химической промышленности.

  Силицированный  слой представляет собой твердый  раствор кремния в a-железе. Существует силицирование в порошкообразных  смесях ферросилиция, а также газовое  силицирование в среде хлорида  кремния SiCl4.