9

Лекция 10.

Глава 10

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термическая обработка представляет собой вид термической обработки, при которой сочетается термическое (тепловое) и химическое воздействие на поверхностный слой стали, в результате изменяется в нужном направлении состав, структура и свойства. Химико-термическую обработку стали применяют для улучшения поверхностных слоев сталь­ных изделий и придания им повышенной твердости, износостойкости, окалиностойкости и высокой коррозионной стойкости.

Химико-термическая обработка стали осуществляется диф­фузией в поверхностные слои стальных изделий некоторых эле­ментов внешней среды (углерод, азот, алюминий, хром, крем­ний и др.) при нагреве. Поглощение сталью этих элементов про­текает лучше тогда, когда они находятся в атомарном состоя­нии при разложении какого-либо, соединения. Атомы элемента диффундируют в кристаллическую решетку железа и образуют с ним твердый раствор или химическое соединение.

Процесс химико-термической обработки можно разделить на следующие три стадии: 1) разложение (диссоциация) мате­риалов внешней среды с образованием атомов; 2) поглощение (адсорбция) атомов элементов внешней среды поверхностью стального изделия; 3) проникновение (диффузия) атомов эле­мента внешней среды в поверхностные слои стали.

Наиболее распространенные виды химико-термической обработки стали—цементация, азотирование, цианирование, нитро-цементация, силицирование, борирование, диффузионное насыщение металлами.

10.1. Цементация стали

Цементацией называют процесс насыщения поверхностных слоев стали углеродом при нагреве для получения после соответствующей термической обработки деталей с твердой поверх­ностью и вязкой сердцевиной, а также с высокой износостойко­стью, повышенной усталостной прочностью. Цементации обычно подвергают ответственные детали в авиа-, авто- и тракторо­строении (шестерни, валы, кулачки, поршневые пальцы, болты, измерительный инструмент и др.) из низкоуглеродистых и низколегированных сталей (10, 15, 25, 20Г, 20Х, 20ХГ, 18ХГМ, 15ХФ, 20ХМ, 12Х2Н4 и др.). После цементации содержание углерода в поверхностном слое достигает 1,0... 1,2%. Толщина цементированного слоя равна 0,5.. .2,5 мм.

После термической обработки изделий, подвергнутых це­ментации, структура поверхностного слоя состоит из мартен­сита и избыточного цементита. Твердость поверхностного слоя достигает НRС 50 и более.

Различают три вида цементации: твердым карбюризатором, газовую и жидкую.

Цементация твёрдым карбюризатором осуществляется нагревом и выдержкой стальных деталей в присутствии науглероживающей среды - твердого карбюризатора, состоящего из древесного угля и углекислых слей BaCOз и Na₂СОз. Активным науглероживающим элементом является окись углерода, угле­кислые соли являются активизаторами, ускоряющими процесс образования окиси углерода. Для цементации твердым карбю­ризатором стальные детали укладывают в ящик из листовой стали и пересыпают их карбюризатором — смесью, состоящую из древесного угля мелкой фракции, 20.. .35 % ВаСОз и 3,5% Nа₂СОз. Ящик закрывают крышкой, обмазывают огнеупорной глиной, просушивают и устанавливают в нагревательную печь. Температура печи 900-950°С; выдержка при этих темпера­турах 5-10 ч.

При указанных температурах происходит диссоциация кар­бюризатора с образованием атомарного углерода:

2С+О₂=2СО, 2СО↔СО₂+С_ат.

При нагреве углекислые соли разлагаются с выделением двуокиси углерода, которая, взаимодействуя с углеродом кар­бюризатора, также способствует получению атомарного угле­рода:

Ва_зСО_з → ВаО+СО₂, СО₂+С=2СО, 2СО↔ СО₂+Сат.

Затем протекает вторая и третья стадии цементации: атомарный углерод адсорбируется поверхностью изделий, а затем диффундирует вглубь, образуя более насыщенный углеродом аустенит или цементит.

Для получения высокой твердости и износостойкости це­ментированного слоя изделие подвергают термической обра­ботке: 1) нормализации с температуры цементации (обычно 900-920 оС); 2} нагреву до 760-780^оС и закалке для получения мартенситной структуры в цементированном слое; 3) низкому отпуску при 160-180 ^о С для снятия напряжений в мартенсите при сохранении его твёрдости.

Газовая цементация осуществляется нагревом и выдержкой стальных изделий в газовой среде, содержащей метан, окись углерода, водород и другие элементы. Активными науглероживающими элементами являются метан и окись углерода. Для

газовой цементации стальные изделия загружают на специаль­ные приспособления или поддоны, устанавливаемые в гермети­чески закрываемых печах (камерных или непрерывного дей­ствия). В печь непрерывно подают газ (например, природный газ). Температура печи 900-950 °С. При этих температурах метан диссоциирует с выделением атомарного углерода:

СН₄ → 2Н₂+С_ат.

Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стальных изделий, а затем диффундирует вглубь, образуя насыщенный аустенит или цементит.

Жидкая цементация осуществляется нагревом и выдержкой

стальных изделий в жидкой среде, содержащей раcплавленные соли Na₂CO₃, NaCl, BaCl₂, KCl и SiC. Активным науглероживающим элементом является

карбид кремния. При цементации обычно мелкие стальные изделия загружают в ванну с расплав­ленными солями, содержащими 75.. .80 % Nа₂СОз, 10...15% NаС1 и б...10 % SiC. Температура ванны 850.. .900 °С. Для по­лучения цементированного слоя толщиной 0,2.. .0,5 мм цемента­цию проводят при 850 °С в течение 0,5.. .3 ч. После жидкой цементации применяют закалку с последующим низким от­пуском.