Химико-термическая обработка стали
При химико-термической обработке происходит изменение не только структуры, но и химического состава сплава.
Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностных слоев стали различными элементами: углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом одновременно (цианирование), бором (борирование) и др. При этом свойства поверхностного слоя становятся отличными от свойств сердцевины детали, что позволяет сочетать несовместимые обычно высокие значения твердости и ударной вязкости. Высокую твердость придают поверхностному слою, что обеспечивает износостойкость деталей, а сердцевинную часть делают ударопрочной, способной воспринимать динамические нагрузки.
Цементации подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1… 0,2 % углерода. Их насыщают углеродом до его концентрации в поверхностном слое 0,8… 1,0 % С и затем подвергают закалке, в результате которой цементованный слой толщиной 0,5…2,5 мм приобретает структуру мартенсита и высокую твердость. Сердце — вина изделия, содержащая слишком мало углерода, не закаливается и остается ударно-вязкой и пластичной.
Науглероживание производят в твердой или газовой среде, называемой карбюризатором.
При твердой цементации детали укладывают в стальные ящики, пересыпая их карбюризатором — древесным углем или коксом (слоем толщиной 3… 10 мм) с активизаторами BaC03, Na2C03 в количестве 10…40%. Ящики закрывают крышками, герметизируют огнеупорной глиной и ставят в печь. При температуре 930…950°С — выше линии GS (см. рис. 6.6) — образующиеся активные атомы углерода диффундируют в решетку у-железа.
При газовой цементации стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих метан, пропан, бутан и др.
Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом. Процесс азотирования заключается в выдержке деталей в течение длительного времени (до 60 ч) в атмосфере аммиака при температуре 500…600°С. Аммиак при нагреве разлагается на азот и водород. Активные атомы азота проникают в решетку а — железа, образуя нитриды железа. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов: хрома, молибдена, алюминия. Поэтому азотированию обычно подвергают легированные стали.
По сравнению с цементацией азотирование стали дает более высокие твердость и износостойкость поверхностного слоя, высокие коррозионные свойства и усталостную прочность. После азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих ей дефектов.
Цианирование — процесс совместного насыщения поверхности стали азотом и углеродом. При цианировании нагрев изделий осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий (NaCN), либо в газовой смеси метана (СН4) и аммиака (NH3).
При низкотемпературном цианировании (500…600°С) поверхностный слой насыщается преимущественно азотом на глубину 0,01 …0,04 мм. После низкотемпературного цианирования отпуск не проводят.
Высокотемпературное цианирование (850… 950 °С) применяют для получения глубины обработанного слоя 0,6… 1,8 мм. Процесс занимает от 3 до 10 ч, после чего детали подвергают закалке и низкому отпуску. По сравнению с цементованным цианированный слой имеет более высокие твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. Недостатком цианирования является высокая стоимость процесса, связанная с применением мер безопасности в связи с высокой токсичностью цианистых солей.
Борирование придает поверхностному слою очень высокие твердость, износостойкость и устойчивость к коррозии в различных средах. Насыщение бором часто проводят при электролизе расплавленной буры (Na2B407); при этом стальная деталь служит катодом. Борирование также производят в расплавленных солях или газовых средах, содержащих соединения бора. Диффузионный слой состоит из боридов железа и имеет толщину 0,1 …0,2 мм.
Термомеханическая обработка (ТМО) металлов заключается в сочетании пластической деформации стали в состоянии аустенита с закалкой. Наиболее распространен высокотемпературный способ, при котором сталь деформируют на 20… 30 % при температуре устойчивого аустенита, после чего следуют немедленная закалка и низкотемпературный отпуск. Такая комбинированная обработка позволяет получать очень высокую прочность стали при хорошей пластичности и вязкости.