43. Химико-термическая обработка: цементация и азотирование. Сущность процессов. Режимы и применение обработки.

Химико-термическая обработка.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующими элементами (например, углеродом, азотом, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими сме­сями (карбюризаторами) и газовую.

Цементацию с последующей закалкой и отпуском применяют для повышения работоспособности деталей металлургических машин (всевозможные шестерни, зуб­чатые муфты и втулки, пальцы и т. д.), испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические и переменные нагрузки и подверженных изнашиванию.

Для цементации обычно используют низкоуглеро­дистые стали (0,1—0,18 % С). Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2—0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вяз­кость после закалки.

Для цементации детали поступают после механиче­ской обработки нередко с припуском на шлифование 0,05—0,10 мм. Во многих случаях цементации подвер­гается только часть детали, тогда участки, не подлежа­щие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02 — 0,04 мм), которую наносят электролитическим спосо­бом или изолируют специальными обмазками, состоя­щими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др. Цементация твердым карбюризатором. В этом про­цессе насыщающей средой является твердый карбю­ризатор — древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах 3,5—10 мм. Для ускорения процесса цемен­тации к древесному углю добавляют активизаторы; углекислый барий (ВаСО₃) и кальцинированную соду (Nа₂СО₃).

Изделия, подлежащие цементации, после предвари­тельной очистки укладывают в ящики; сварные сталь­ные или реже литые чугунные прямоугольной или ци­линдрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20—30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между деталями и до боковых стенок ящика 10—15 мм. Засыпают и утрамбовывают ряд деталей и т. д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35—40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка, разведенных на воде до тестообразного состояния. После этого ящик помещают в печь, тем­пература цементации 910—930°С.

Продолжительность выдержки при рабочей темпе­ратуре зависит от требуемой толщины слоя и размеров ящика. Для получения слоя толщиной 0,7—1,5мм выдержка составляет 6—15 ч.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 — 500°С и затем раскрывают.

Газовая цементация. Газовую цементацию осуще­ствляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе. Поэтому ее широко применяют на заводах, изготавли­вающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно точно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изде­лий, так как можно проводить закалку непосредственно из цементационной печи.

Основной реакцией, обеспечивающей науглерожи­вание при газовой цементации, является диссоциация СО:

2СО→СО2 + Сат;

Сат→Feγ→ Feγ (C) – аустенит.

Цементацию выполняют при 930 - 950°C. Продолжительность цементации для получения слоя толщиной 0,7 - 1,5 мм при 930°C составляет 6-12 ч.

Азотирование — это процесс диффузионного насыщения поверхности изделий азотом в парах аммиака при температурах 500—700°С (в зависимости от состава сплава). При указанных температурах аммиак диссо­циирует с образованием атомарного азота, который диф­фундирует в железо: 2NН₃ → 2N + 6Н.

В результате насыщения железа азотом образуются три фазы: азотистый феррит или α-раствор азота в железе; азотистый аустенит или γ-раствор азота в железе и про­межуточные фазы γ'-фаза Fе₄N и ε-фаза Fе₃N. В легиро­ванных сплавах азот образует мелкодисперсные нитриды с алюминием, молибденом, хромом и ванадием. Нит­риды придают насыщен­ному поверхностному слою твердость, больше твердо­сти цементоваиного слоя.

Процесс азотирования более длительный, чем процесс цементации из-за меньшей подвижности атомов азота при указанных температурах и продол­жается 25—95 ч. Глубина азотированного слоя со­ставляет 0,3—0,7 мм и зависит от температуры процесса и времени выдержки. Ускорение азо­тирования достигается при использовании тлеющего разряда между анодом и изделием, выполняющим роль катода. В плазме раз­ряда образуются ионы азо­та, которые насыщают обрабатываемую поверх­ность. Технология процесса многоступенчатая и трудоем­кая. Вначале заготовку улучшают путем закалки и высо­кого отпуска при температуре, превышающей температуру последующего азотирования. Затем проводят механи­ческую обработку заготовок. Если не все поверхности требуют азотирования, то их предохраняют лужением или покрывают жидким стеклом. После этих операций про­водят непосредственно азотирование и окончательную механическую обработку в виде тонкого шлифования, суперфиниша или хонингования.

Для сокращения цикла азотирования применяют двух­ступенчатый процесс — вначале при температуре 500— 520°С, а затем при 540—560°С, или обработку ведут в расплавленных цианистых солях КСΝ, ΝаСΝ. Время азотирования сокращается от 1 до 10 ч. Поверхностный слой приобретает твердость НV 600—1000 в результате образования нитридной Fе₃N и карбонитридной Fе₃(N, С) фаз. Образование азотированного слоя сопровождается увеличением его объема и, как следствие, возникновением остаточных сжимающих напряжений, достигающих 600 – 800 МПа. Остаточные напряжения сжатия повышают износостойкость и предел выносливости азотированных деталей.

44. Чугуны: белый, серый, высокопрочный и ковкий: их составы, свойства, маркировка и области применения.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизацией.

Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).

Присутствие эвтектики в структуре чугунов обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в промышленности.

Применяемые для отливок чугуны имеют в среднем состав: С — 2...40o,Si—1.5...40o,Mn—0,6...1.250o,P—0,l...l,20o,S<0,060o.

Углерод определяет количество графита в чугуне: чем выше его содержание, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не меньше 2,4 % С.

Кремний оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов, так как величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от его содержания. Таким образом, кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Сера и марганец являются вредными технологическими примесями, содержание которых в чугунах ограничивают. Сера ухудшает механические и литейные свойства. И сера, и марганец препятствуют графитизации.

Фосфор не влияет на графитизацию, а при повышенном (до 0,4...0,5 ° о) содержании повышает износостоикость чугунов.

Белые чугуны

Белые чугуны (передельные) редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов, так как из-за большого содержания цементита очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания. Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена.

Разновидностью белых чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (00...00 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы). Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др. Весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.

Серые чугуны

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий). Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.

 Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долен %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которых характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм²). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ12-28; СЧ15-32; СЧ18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32-52; СЧ 38-60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три - перлитную.

Ковкие чугуны

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу.

Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов ограничение толщины их стенок.

Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, — фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей — от нескольких граммов до нескольких тонн.

Для повышения твердости, износостойкости и прочности изделий из ковкого чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (кгс/мм2) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 38-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12; КЧ 30-6 с ферритной металлической основой и КЧ 45-6; КЧ 50-4 и КЧ 60-3, имеющие ферритно-перлитную основу.

Высокопрочные чугуны

Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими присадками (0,0...0,0 % магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,0...0,0 % церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,00...0,00 %.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм2), вторая - относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостоикость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения.

 Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей. ВЧ получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще применяют магний (Mg) в количестве 0,03-0,07% и церий (Ce).

При маркировке серого и модифицированного   чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении,   последующие две — предел прочности при изгибе.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде. Некоторые элементы, вводимые в чугун(в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие - препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

Самым распространенным видом термообработки чугунов является отжиг отливок при 430...600 °С для уменьшения литейных напряжений, которые могут вызвать даже коробление фасонных изделий. Нормализация чугуна проводится для аустенизации ферритной и ферритно-перлитной матриц и последующего перлитного превращения, что обеспечивает упрочнение. Закалку чугуна на мартенсит с нагревом до 850...930 °С и охлаждением в воде и масле применяют для повышения прочности и износостойкости.

После закалки проводят низкий отпуск (200 °С) для уменьшения закалочных напряжений или высокий отпуск (600...700 °C) для получения микроструктур сорбита или зернистого перлита, обеспечивающих повышенную вязкость.