2 Режим химико-термической обработки крупногабаритных подшипников из стали 20хн3а

Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующем проведении термообработки. Цель ее — упрочнение поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной прочности, износостойкости и т. п.), изменение физико-химических и других свойств (коррозионных, фракционных и т.д.). Химико-термическая обработка заключается в диффузионном насыщении металла неметаллами и с насыщением металлами.

Упрочнение поверхностного слоя при борировании происходит вследствие образования высокотвердых боридов железа, однако борированные слои очень хрупкие. Цианистых соли очень ядовитые. Недостатком азотирования является значительно большая продолжительность процесса, т. к. оно проводится в основном для легированных сталей и при более низких температурах по сравнению с цементацией. Нитроцементация применяется в крупносерийном производстве. К недостаткам силицирования относится : пониженный предел прочности и ударная вязкости, высокая хрупкость и невозможность обработки резанием.

Диффузионное насыщение металлами: алитирование (алюминирование), хромирование, титанирование и т. д.

Работа с растворами хромового ангидрида сопряжена с многими трудностями, обусловленными токсичностью этого вещества и трудоемкой технологией очистки сточных вод. Общим недостатком всех известных способов титанирования является их большая продолжительность (от 2 до 10 ч), что часто приводит к ухудшению структуры сердцевины, короблению изделий и сдерживает распространение этого прогрессивного способа ХТО в различных отраслях промышленности.

Цементация — поверхностное насыщение малоуглеродистой стали (С < 0,3 %) углеродом с последующей закалкой и отпуском с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. Цементацию можно проводить в твердой, жидкой или газообразной среде (карбюризаторе).

Проводя цементацию, изделие хорошо противостоит давящим и истирающим усилиям и в то же время ему чуждо охрупчиваться и ломаться, в отличие от других изделий, состоящие сплошь из закаленной стали. Благодаря этим своеобразным свойствам цементованных железных частей они получили большое применение в машиностроении, именно в качестве таких машинных частей, которые должны выносить сильное трение на поверхности и в то же время подвергаться ударам и сотрясениям.

Проанализировав все виды ХТО, пришли к выводу, что лучше применять цементацию. Данный вид обработки более благоприятен и максимально подходит для получения требуемых свойств подшипников. Цементация обеспечит высокую твердость на поверхности, за счет образования карбидов и нужную вязкость в сердцевине.

3 Стадии процесса цементации

Для данного вида подшипников выбирают газовую цементацию. Это связанно с большими размерами изделия. Этот вид ХТО включает в себя 3 стадии:

1. Реакция в насыщающей среде, включающая два процесса:

- образование активных атомов, в данном случае углерода, в насыщающей среде;

- диффузия этих атомов к поверхности металла. Активность среды в данных условиях определяется потенциалом насыщающей среды, т. е. ее насыщающей способностью.

2. Реакция на границе раздела фаз (стадия гетерогенной реакции):

- адсорбция активных атомов углерода поверхностью насыщения за счет ван-дер-ваальсовых сил).

- хемосорбция – химическое взаимодействие атомов углерода с металлом.

3. Диффузия – перемещение адсорбированных атомов от поверхности в решетку металла. Перемещение в пределах одного – двух слоев решетки металла называется абсорбцией. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности вглубь обрабатываемого металла. Процесс возможен только при условии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

- повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;

- сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы, так как отпадает необходимость в упаковке и распаковке деталей, хранении и транспортировке ящиков и карбюризатора;

- сокращается потребность в жаростойком материале, так как расход его на муфели и приспособления при газовой цементации гораздо меньше, чем на ящики при цементации в твердом карбюризаторе;

- появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;

- уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;

- появляется возможность непосредственной закалки деталей после цементации;

- применение печей непрерывного действия позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс и установить агрегат для термической обработки в поточной линии механического цеха

После цементации термическая обработка состоит из высокого отпуска, закалки и низкотемпературного отпуска.

Получение особых свойств стали в результате ее закалки обусловливается, как известно, возникновением в процессе охлаждения мартенсита — главной структурной составляющей закаленной стали. Закаленная сталь характеризуется по сравнению с другими состояниями максимальными значениями твердости и прочности и минимальными значениями пластичности и вязкости. Кроме того, в результате закалки возникает большие остаточные закалочные напряжения, которые сами по себе, без приложения внешних нагрузок, могут приводить к трещинообразованию и разрушению детали. Поэтому для уменьшения хрупкости и снятия закалочных напряжений закаленные детали подвергают отпуску.

В качестве газоносителя используют в основном эндотермический газ (эндогаз), полученный сжиганием природного газа в эндогенераторах. В таблице 3 приведены газы применяемые для цементации.

Таблица 3 - Виды газов используемые для газовой цементации

Тип газа	Состав газа
Природный	95 – 97% СН4
Эндогаз	18 – 22 % CO, 38 – 42 % H2, ≤ 0,2 % CO2,≤ 1 % CH4, N2
Экзогаз	5 % СО2, 1 % Н20, 14 % СО, 18 % Н2 и N2
Светильный	20 – 35% СН4, 5 – 25% СО
Нефтяной	50 – 60 % СН4
Коксовый	20 – 25% СН4, 4 – 10% СО
Сжиженный	C3H8 , C4H10

Для газовой цементации для повышения углеродного потенциала технологической атмосферы печи к эндогазу добавляют природный газ в

количестве 2 – 5 % от расхода эндогаза.

В атмосфере печи протекают газофазные реакции:

1. СО+Н₂ОСО₂+Н₂ (1)

2. СО₂ + СН₄ 2СО + 2Н₂ (2)

3. Н₂О + СН₄ СО + 3Н₂ (3)

Сложные углеводороды, которые входят в состав карбюризаторов или образуются при из разложении в результате ряда промежуточных реакций, распадаются в основном до метана. При крекинге углеводородов, который производится для снижения их активности или получения эндогаза, образуется также СО. Таким образом, химизм выделения атомарного углерода при газовой цементации сводится к распаду метана и окиси углерода:

4. СН₄С + 2Н₂ (4)

5. 2СО СО₂ + С (5)

Метан является более активным карбюризатором чем окись. Для науглероживания железа при 900 – 1000 ˚С в смеси СН₄; — Н₂ достаточно наличия всего лишь нескольких процентов метана, тогда как для цементации в смеси СО – СО₂ необходима концентрация около 95 – 97 % СО.

Цементация может осуществляться в контролируемой атмосфере с регулируемым углеродным потенциалом или при подаче жидкого карбюризатора в печь в течение всего процесса науглероживания. Проведение процесса цементации при постоянном углеродном потенциале атмосферы требует большой длительности для получения заданной эффективной толщины слоя. Для уменьшения длительности процесса на многих заводах применяют двухступенчатую цементацию. В начале процесса поддерживают максимально возможный углеродный потенциал атмосферы (активный период), а затем его снижают чаще до 0,6 – 0,9 % (диффузионный период). Так как скорость выделения углерода из атмосферы возрастает с повышением углеродного потенциала, а его диффузия в аустените увеличивается с повышением градиента концентраций, то в активный период рост толщины слоя идет с большой скоростью. Величина углеродного потенциала в активный период определяется составом цементуемой стали и не должна превышать предела растворимости углерода в аустените при данной температуре насыщения [4].