Тема 1.9. Химико-термическая обработка стали

Физические основы химико-термической обработки. Связь между диаграммой состояния и структурой диффузионного слоя.

Назначение и виды цементации. Механизм образования цементированного слоя и его свойства. Цементация в твердом карбюризаторе. Газовая цементация. Печи для цементации.

Азотирование стали. Механизм образования азотированного слоя. Стали для азотирования.

Технология газового азотирования. Газовое азотирование с добавкой углеродосодержащих газов.

Азотирование в жидких средах. Свойства азотированного слоя. Область применения азотирования.

Печи для азотирования.

Цианирование стали. Виды цианирования. Нитроцементация стали.

Диффузионная металлизация. Режим и область применения.

Правила безопасности труда при проведении химико-термической обработки.

Литература: [2], с.55-62; [3], с.104-107

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Химико-термическая обработка стали весьма распространена в процессе изготовления и ремонта деталей автомобилей. Ее целью является получение твердого, износоустойчивого, жаростойкого или коррозионно-стойкого поверхностного слоя.

Сущность ее заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами.

Многие ответственные детали машин (зубчатые колеса, валы, пальцы и т.п.) работают на трение и одновременно подвергаются действию ударных нагрузок. Такие детали должны, иметь твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину, чтобы противостоять разрушению от ударов.

Так, коленчатый вал должен иметь твердые шейки, которые испытывают трение в подшипниках. Твердыми и вязкими должны быть поршневые пальцы, шестерни, зубчатые колеса. Эти требования могут быть удовлетворены применением мягкой и вязкой стали, поверхность которой должна быть упрочнена химико-термической обработкой.

При рассмотрении различных способов химико-термической обработки необходимо уяс­нить, что принципы их едины. При этом процессе обработки имеет месте выделение из внешней среды атомов насыщающего элемента, поглощение этих атомов поверхностью детали и диффузия их внутрь металла.

При химико-термической обработке детали помещаются в среду, которая может передавать свои атомы металлу и изменять химический состав поверхностных слоев последнего.

Рассматривая технологию процесса, следует иметь в виду, что такое насыщение может производиться из твердой, жидкой и газовой среды.

При изучении технологии химико-термической обработки необходимо уяснить особенности каждого из ее видов (цементации, азотирования, цианирования и др.), температуру нагрева, среду, глубину проникновения насыщающего элемента, свойства, которые придает изделию каждый из них.

При изучении цементации стали следует обратить внимание на то, что она является наиболее распространенной операцией химико-термической обработки. Назначением цементации является получение высокой твердости и износоустойчивости поверхностного слоя при сохранении мягкой и вязкой сердцевины, повышение предела усталости стальных деталей.

Цементации подвергаются большое количество разнообразных деталей автомобиля: порш­невые пальцы, коромысло клапана, валы коробок передач, шестерни коробки передач, рычаг пере­ключения передач и др.

На результат цементации оказывают влияние следующие факторы: режим (температура и время выдержки); состав карбюризатора (углеродосодержащей среды); режим термической обработки после цементации; химический состав сталей, применяемых для цементации.

Для цементации применяют малоуглеродистые стали, содержащие до 0,2% углерода. В зависимости от величины и характера действующих на детали нагрузок применяются так называемые цементуемые стали, к которым относятся углеродистые стали марок 10,15,20 и легированные І5Х, 20Х, 15ХФ, 12ХНГ, І2ХНЗ, 13ХГГ и многие другие стали.

При цементации в поверхность стали медленно проникает (диффундирует) углерод, обра­зуя с железом цементит (Fe₃С), поэтому и данный процесс получил название цементации.

При слишком высокой температуре нагрева резко ускоряется процесс цементации, но содержание углерода в цементованном слое может получиться выше допустимого. Кроме того, высокая температура при длительной выдержке вызывает быстрый рост зерен в сердцевине наделяй, а это сопровождается понижением пластичности стали. В связи с этим процесс цементации следует отрегулировать так, чтобы содержание углерода в поверхностном слое не превышало 0,8-1,1%. При большем содержании углерода слой получается хрупким, в нем образуется грубая цементитная сетка.

Изучение цементации стали рекомендуется провести в таком порядке: после рассмотрения ее сущности и цели надо ознакомиться с факторами, обеспечивающими проведение цементации: с химическим составом стали, видом карбюризатора, с температурой нагрева и временем выдержки. При этом надо обосновать необходимость применения мягкой стали, проведения цементации с на­сыщением до 0,3-1,1% углерода, исходя из цели цементации, проведения цементации при температуре выше точки Ac₁ и предпочтительно выше точки Ас₃, т.е. при 900-1000^сС, применения усили­телей - катализаторов.

Так как вопрос выбора и обоснования режимов цементации стали изложен недостаточно в рекомендуемых учебниках и учащиеся в своих ответах часто Затрудняются дать необходимые обоснования, то ниже даются краткие пояснения, которые позволяют учащимся восполнить этот пробел.

Нижним пределом нагрева для цементации является точка Ac₁ (727°), так как ниже этой температуры железо находится в модификации, практически неспособной к образованию твердого раствора с углеродом. При температурах, лежащих между точками, Ac₁ и Ас₃, науглероживание железа возможно, но проникновению углерода препятствуют зерна феррита, сохраняющегося в этом интервале температур (см. диаграмму, "железо-цементит").

При нагреве выше точки Ас₃ растворение углерода идет значительно интенсивнее, так как образующаяся при этом структура аустенита способна растворить углерод в пределах от 0,8 до 2,14% (см. диаграмму "железо-цементит"). Практически температура цементации находится в пределах 900-1000°С.

Так как процесс науглероживания поверхности изделий происходит при температурах, лежащих выше точки Ac₁, и иногда продолжается до 10 часов, то цементированное изделие приоб­ретает крупнозернистую структуру.

Необходимо учесть, что после цементации поверхностный спой остается "мягким".

Это объясняется тем, что после цементации детали охлаждаются обычно в ящиках на воздухе медленно, и поэтому получаемая структура науглероженного слоя (перлитная или перлитно-цементитная) не обеспечивает требуемой твердости. В связи с этим за цементацией следуют операции термической обработки, назначение которых состоит в придании сердцевине и цементованному слою нужных свойств. Термическая обработка заключается в предварительной закалке или норма­лизации от 900°С и в последующей закалке от 750-770°С (для ответственных деталей).

Первый нагрев производят в целях придания сердцевине изделия мелкозернистости. Так как содержание углерода в сердцевине цементируемой стали не превосходит 0,2%, то этот нагрев должен достигать примерно 900°С (см. диаграмму "железо-цементит). Закалка (обычно в этом случае умеренная) придает мелкозернистость ядру.

После цементации химический состав стали в поверхностном слое изменился до 0,8-1,1% углерода, т.е. поверхностный слой получил состав эвтектоидной или эаэвтектоидной стали.

Вследствие того, что содержание углерода в поверхностном слое значительно выше, чем в сердцевине, и, следовательно, критическая температура его ниже, чем для материала сердцевины, он получит перегрев при первом нагреве, а его структура после этой операции будет крупнозернистой.

Для придания мелкозернистости и твердости цементованному слою изделие подвергают второму нагреву, величина которого определяется содержанием углерода в цементованном слое. Так как содержание углерода в этом слое близко к 0,3-1,1%, то температура второго нагрева будет равна 750-770° (температура Ac₁ + (30-50°). Этот нагрев не вызывает образования крупного зерна в структуре сердцевины, так как положение точки Асз дал ядра значительно выше.

Снятие внутренних напряжений после закалки достигается низким отпуском.

В условиях современного производства наиболее прогрессивным методом химико-термической обработки является газовая цементация.

Газовая цементация производится в газовом карбюризаторе. Детали помещают в герметически закрытую печь с температурой 900-950°С, наполненную цементирующим газом. Процесс цементации в газовой среде протекает значительно быстрее, чем в твердом карбюризаторе, так как при этом способе не требуется дополнительного времени на подготовку и прогрев цементационного ящика и всей массы твердого карбюризатора. После газовой цементации проводится такая же термическая обработка, как и после цементации в твердой среде. В последнее время на Московском автозаводе им. Лихачева разработан и внедрен в производство способ скоростной высокотемпературной газовой цементации шестерен при нагреве токами высокой частоты (2000 Гц). Процесс цементации ответственных шестерен из стали 18ХПГ протекает при температуре 1050-1070°С, что дает возможность получить науглероженный слой глубиной 1 мм за 40-50 минут вместо 7-8 часов, как при обычной газовой цементации.

Азотирование - процесс химико-термической обработки, при котором стальные детали с поверхности насыпаются азотом. Азотированию подвергаются, главным образом, легированные стали для шеек валов, червяков, гильз, клапанов, коленчатых валов, калибров, шаблонов и других деталей и изделий, работающих в условиях переменных нагрузок. Углеродистые конструкционные стали из-за хрупкости и недостаточной твердости их поверхностного слоя азотируют в редких случаях и то лишь с целью повышения коррозийной стойкости.

В машиностроении для азотирования чаща всего применяют легированные стали марок 38ХМЮА, 38ХЮА 35XMЮA 35ХЮА, 38ХВ7Ю и др.

Обратите внимание, что твердость азотируемого слоя выше, чем твердость после цементации и закалки, что объясняется наличием в нем нитридов - химических соединений хрома, молибдена, алюминия, железа и др. элементов с азотом.

Следует отметить, что эта высокая твердость сохраняется при нагреве до 600-650°С.

Учащимся необходимо обратить внимание на выбор состава стали; нужно уяснить себе температуру и длительность процесса, глубину азотирования и область применения. Сравните азотирование- с цементацией, отметив преимущества и недостатки каждого процесса.

После изучения цементации и азотирования следует приступить к изучению жидкого и газового цианирования (нитроцементации).

Цианированием называют насыщение поверхностных слоев стальных деталей углеродом и азотом одновременно.

Рекомендуется обратить внимание на то, что вследствие более низкой температуры цианирования по сравнению с цементацией в твердых карбюризаторах зерна стали не укрупняются, и, следовательно, отпадает необходимость в исправлении структуры металла нормализацией. Поэтому цианированные изделия сразу же из цианистой ванны переносят для закалки в воду или минеральное масло в зависимости от требуемой твердости.

В результате изучения этой темы учащийся должен хорошо разбираться не только в технологии химико-термической обработки, но и уметь определить способ повышения твердости для изделий определенного химического состава. Например, поверхностную твердость стали в зависимости от содержания углерода можно повысить цементацией с последующей закалкой С (при содержаний углерода до 0,2%) и закалкой токами высокой частоты (стали, содержащие более 0,3% углерода).

Повышение твердости легированной стали 35ХЮА, содержащей алюминий, достигается азотированием, а твердость и износоустойчивость режущего инструмента, например из быстрорежущей стали, - цианированием.

Изучая технологию этих способов, надо знать их особенности: температуру нагрева, среду, в которую помещают изделие, глубину проникновения насыщающего элемента, стойкость ore при различных условиях эксплуатации. С диффузионной металлизацией можно ознакомиться по рекомендованной литературе.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Укажите назначение и сущность химико-термической обработки стали.

2. В чем заключается назначение и сущность цементации?

3. Какие вещества называются карбюризаторами?

4. Почему для цементации применяются стали с низким содержанием углерода?

5. Какой термической обработке подвергаются детали после цементации и почему?

6. Перечислите дефекты цементованного слоя и меры борьба с ними.

7. В каких случаях после цементации применяют двойную закалку? Укажите назначение первой и второй закалки.

8. Как осуществляется контроль глубины цементированного слоя?

9. В чем заключается сущность и преимущества газовой цементации?

10. Сравните процессы цементации и поверхностной закалки стальных изделий.

11. Кратно опишите процесс азотирования сталей. Укажите достоинства и недостатки азо­тирования.

12. Какие стали подвергаются азотированию?

13. Укажите назначение, сущность и вида цианирования сталей.

14. Какой процесс цианирования называют нитроцементацией?

15. Какой термообработке подвергаются детали после цианирования? Укажите преимущество и недостатки цианирования.

16. Укажите суть диффузионной металлизации.