4.4.1. Цементация

Сущность заключается в насыщении поверхностного слоя стальных деталей атомами углерода. Данный метод является наиболее старым и широко применяемым из ХТО. Он достаточно прост в реализации. При температурах порядка 900-1000 °С атомарный углерод (С) диффундирует в поверхностный слой заготовки, растворяется в аустените, увеличивая концентрацию углерода от 0,8 до 1,2% в поверхностном слое. По способу реализации различают: 1. твёрдую, 2. пастообразную, 3. жидкую, 4. газовую цементацию.

1. Твёрдая реализуется в смеси древесного угля, каменного полукокса, углекислого бария или кальция при температуре до 920…930 °С в течение 4…5 часов. Глубина цементированного слоя 0,3…0,7 мм.

2. Пастообразная реализуется путём обмазывания детали карбюризатором и помещением в печь при Т=900…920 °С. Продолжительность выдержки 0,5…0,7ч. Глубина упрочнённого слоя 0,3…0,7 мм.

3. Жидкостная реализуется в расплавах солей Na₂Co₃,NaClи карборуда (SiC) при 840…860 °С. Продолжительность процесса 0,5…2,5 ч. Глубина цементированного слоя 0,2…0,6 мм.

4. Газовая реализуется в атмосфере СО, Н₂, Н₂О, СН₄,N₂. При высоких температурах происходит следующие реакции с выделением атомарного углерода:

2СО ↔С+СО₂;

СО₂+2Н₂↔ С+2Н₂О;

СН₄↔ С+2Н₂.

Процесс идёт при Т=920…950 °С. Продолжительность – 2…2,5 ч. Толщина цементированного слоя – более 0,5 мм.

После цементации заготовку подвергают закалке при 850…900 °С, а затем низкому отпуску при Т=180…200 °С. После этого твёрдость поверхности достигает НRС 58…62, сердцевины - НRС 25…30. Заготовки из легированных сталей после цементации подвергают криогенной обработке при Т=- 40…70 °С в течение 2 часов с последующим низким отпуском.

Сжимающие О.Н. после цементации могут достигать 400…1000 МПа, что значительно повышает усталостную прочность. В мелкосерийном и серийном типах производства газовую цементацию реализуют в шахтных муфельных печах, в крупносерийном и массовом - в печах напрерывного действия, где реализуется весь цикл обработки (ХТО, закалка, отпуск). Износостойкость зависит не только от концентрации углерода, но и от толщины слоя. Для стали с содержанием С до 0,24% - оптимальная толщина 1…1,2 мм, для стали с С до 0,34% - 0,5…0,7 мм. Цементации подвергают контактные рабочие поверхности шестерён, валов, клапанов и др. деталей. Участки, которые не подлежат цементации, покрывают тонким слоем меди.

Недостатки цементации: не повышает коррозионной стойкости стальных деталей, при цементации наблюдается рост зёрен в поверхностном слое, твёрдость цементированного слоя сохраняется только до температуы 200…250 °С.

4.4.2. Азотирование

Сущность азотирования заключается в насыщении поверхностного слоя атомарным азотом при диффузии его из внешней среды. Азотирование проводят в потоке аммиака с добавлением азота при 500…700 °С. Продолжительность процесса 20…80 ч. Глубина азотированного слоя при этом 0,1…0,5 мм. Твёрдость от 650 до 1100 НV. При этом содержание азота в пов-ом слое 10…12%. В ходе азотирования аммиак разлагается при высоких температурах по формуле:

2NH₃↔ 3H₂+2N_aт

Повышение твёрдости объясняется образованием нитридов металлов. Азотированию подвергают стали, содержащие нитридообразные металлы: Cr,Mo,Al,Ti,W,V,Mn. Данный метод применяют для обработки цилиндров, клапанов, коленвалов и т.д. Азотированный слой лучше сопротивляется износу, чем цементированный, но обладает меньшей прочностью. После азотирования легированных сталей коэффициент трения снижается до 7 раз, особенно при температурах эксплуатации 500…600 °С или во влажной среде.

Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, твёрдость должна быть 650…750 HV, для деталей, рабочих на износ – 900…1100HV. При азотировании легированных сталей их коррозионная стойкость снижается, углеродистых сталей – повышается.

Для антикоррозионной обработки детали помещают в атмосферу аммиака на час при 600…700 °С. При этом глубина азотированного слоя 15…30 мкм.

Tiазотируют при 950 °С в течение 25…30 ч., ниобий – при 1100 °С в течение 2…3 ч.,Cr,Mo,W– при 900…1100 °С в течение 20…30 ч. Процесс азотирования можно интенсифицировть применением расплавов цианистых солей – жидкостное азотирование. При этом длительность обработки сокращается до 2…4 ч. при 500…700 °С.

Перед азотированием заготовку закаливают и подвергают высокому отпуску. При этом формируется высокопрочная и вязкая сердцевина, затем заготовку шлифуют. Места, не подлежащие насыщению, покрывают тонким слоем свинца (Рb) или жидкого стекла. После азотирования заготовку подвергают шлифованию и доводке. Чем больше продолжительность процесса азотирования, тем меньше твёрдость поверхностного слоя, но больше глубина проникновения азота. После азотирования заготовки охлаждают вместе с печью в потоке аммиака до 200 °С, далее - на воздухе.