1.3. Химико-термическая обработка (хто)

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (углеродом, азотом, бором и т. п.) путем его диффузии из внешней среды. Изделие помещают в среду, богатую данным элементом (в карбюризатор), и нагревают. При этом происходят следующие процессы:

диссоциация – переход элемента, которым насыщают металл, из молекулярного в активное атомарное состояние;

адсорбция – поглощение атомов элемента поверхностью стальной детали и образование тончайшего адсорбционного слоя (несколько атомных слоев);

диффузия – проникновение атомов элемента от поверхности вглубь металла с образованием в диффузионном слое твердых растворов, химических соединений, интерметаллидов и других фаз. В результате ХТО изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев деталей.

Цементация стали – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой (до 0,25 % С) стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. В зависимости от состава карбюризатора различают цементацию в твердом карбюризаторе (в древесном угле или коксе с различными добавками – самый древний способ) и газовую цементацию в среде углеродсодержащих газов (метан, пары бензина, керосина и др.), которая широко используется в современном машиностроении. Температура процесса – 910 – 1000 °С, продолжительность – в зависимости от температуры и требуемой глубины слоя (5 – 20 ч и более).

Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 – 1,2 % и последующей неполной закалкой с низким отпуском, при этом одновременно повышается предел выносливости. Сердцевина изделия при цементации не насыщается углеродом, поэтому сохраняет высокую ударную вязкость после закалки (рис. 4).

С, %

0,8

П+Ц_II П П+Ф

а)

Расстояние от поверхности, мм

0,5 1 1,5 2

б)

Зона:

заэвтектоидная эвтектоидная доэвтектоидная

Рис. 4. Изменение концентрации углерода (а) и микроструктуры (б)

по глубине незакаленного цементированного слоя

Стали, склонные к перегреву, после цементации имеют крупнозернистую структуру и цементитную сетку в заэвтектоидной зоне поверхностного слоя. Поэтому для исправления дефектной структуры используют термическую обработку, включающую в себя двойную закалку и низкий отпуск.

Первую полную закалку проводят с нагревом до 850 – 900 °С (выше точки Ас_з сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной зоне. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита.

П

Цементация

Первая закалка −

800 – 900 °С

Вторая закалка −

760 – 780 °С

осле первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита, поэтому применяют неполную вторую закалку с температуры 700 – 780 °С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного цементита. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжение (рис. 5).

Р

Отпуск − 150 – 200 °С

ис.5. График проведения ХТО: цементация, двойная закалка и низкий отпуск

Цементации подвергают изделия из качественных углеродистых 15 и 20 и легированных сталей 12ХНЗА, 18ХГТ и др. (зубчатые колеса, поршневые пальцы, валики и др.). Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60 – 64 HRC, а для легированной – 58 – 61 HRC; снижение твердос-ти объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Азотирование – операция диффузного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая повышает твердость до 70 HRC, износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до температуры 450 – 500 °С, тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 °С.

Износостойкость и предел выносливости азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. После азоти­рования проводят шлифование и доводку деталей.

Нитроцементация – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

После нитроцементации следует закалка с низким отпуском. Твердость слоя после закалки и отпуска – 58 – 64 HRC.

Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цементацией она имеет преимущество: более низкую температуру процесса и меньшее коробление изделий. У деталей, подвергнутых нитроцементации, выше сопротивление износу и коррозии. Например, на Волжском автомобильном заводе 95 % деталей, проходящих ХТО, подвергают нитроцементации.

Борирование – операция насыщения поверхностно­го слоя стали бором, она обеспечивает высокую твердость (70 – 72 HRC), износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах.

Хромирование – операция насыщения поверхност­ного слоя стали хромом для повышения коррозионной стой­кости, жаростойкости, а у средне- и высокоуглеродистых сталей при этом значительно повышаются твердость и износостойкость. Твердость среднеуглеродистых сталей – до 70 – 72 HRC.

Кроме перечисленных операций к химико-термической обработке относятся алетирование, силицирование и др.