Сутність, призначення та основні процеси, що відбуваються при хіміко-термічній обробці сталі

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називають технологічний процес дифузійного насичення поверхневого шару деталей різними елементами. Різні види хіміко-термічної обробки застосовують для підвищення поверхневої твердості, контактної витривалості, стійкості до зношення, опору втомленості, а також для захисту від хімічної, електрохімічної та газової корозії.

При ХТО деталь розміщують у середовищі з високим вмістом елемента, який дифундує у метал. Процес насичення поверхневого шару металу цим елементом складається з трьох етапів.

На першому етапі відбуваються хімічні реакції у середовищі, в якому розміщена деталь, у результаті чого утворюються активні атоми елемента, який дифундує. Наприклад,

CH₄ → C_aт+2H₂; (8.1)

На другому етапі процесу відбувається абсорбція або хемосорбція активних атомів поверхнею металу, в результаті чого дуже тонкий поверхневий шар насичується дифундуючим елементом, тобто відбувається процес абсорбції. Цей процес можливий тільки тоді, коли дифундуючий елемент здатний розчинятися в матеріалі деталі або утворювати з ним хімічні сполуки.

Третій етап – дифузійне проникнення елемента вглиб металу, що супроводжується утворенням твердих розчинів чи фазовою перекристалізацією. У результаті утворюється дифузійний шар зі змінною концентрацією дифундуючого елементу по перерізу (рис. 8.1).

Рис.8.1. Зміна концентрації дифундуючого елементу по переризу деталі: y – товщина дифузійного шару

Найбільш повільною ланкою ХТО є третій етап, тобто дифузійна стадія, коли формується структура і властивості поверхневого шару деталі.

Результати ХТО визначаються товщиною дифузійного шару та концентрацією насичуючого елементу у поверхневому шарі, а основними її технологічними параметрами є склад насичуючого середовища, температура та тривалість процесу.

Склад насичуючого середовища та температура визначають швидкість дисоціації сполук і утворення насичуючого елементу в атомарному вигляді. Температура, крім того, визначає швидкість дифузії насичуючого елемента в металі, яка залежить від коефіцієнту дифузії D.

Залежність коефіцієнта D від температури виражається рівнянням (8.2) і графіком (рис. 8.2).

; (8.2)

де A - коефіцієнт, який залежить від типу кристалічної гратки металу, що насичується; Q- енергія активації процесу дифузії; R- газова постійна; T- абсолютна температура.

Рис.8.2. Графік залежності коефіцієнта дифузії D від температури Т

Графік (рис. 8.2) показує, що коефіцієнт дифузії D зростає з підвищенням температури і, відповідно, тривалість ХТО суттєво залежить від температури процесу.

Тривалість процесу ХТО визначається потрібною товщиною дифузійного шару. При постійних параметрах процесу (температура, склад насичуючого середовища) збільшення товщини шару в часі підкоряється параболічному закону:

; (8.3)

Найбільш інтенсивно товщина дифузійного шару зростає на початку ХТО.

Рис.8.3.Графік залежності товщини дифузійного шару від тривалості процеса ХТО

Товщина дифузійного шару залежить також від характеру твердого розчину, що утворюється, складу оброблюваного металу і концентрації дифундуючого елементу на поверхні деталі. Чим вища його концентрація елементу на поверхні, тим більша товщина шару при даній температурі та тривалості процесу насичення. Швидкість дифузії атомів насичуючого елементу, який утворює з оброблюваним металом тверді розчини проникнення, значно вища, ніж при утворенні твердого розчину заміщення. Тому при насиченні сталі металами (Cr, Al, Si тощо), які утворюють із залізом тверді розчини заміщення, процес проводять при вищих температурах і більш тривалий час. При цьому отримують меншу товщину дифузійного шару, ніж при насиченні азотом і вуглецем, які утворюють із залізом тверді розчини проникнення. Дифузія елементів у гратці Fe_α відбувається легше, ніж у гратці Fe_γ, адже γ-залізо щільніше упаковане.

В залежності від насичуючого елементу хіміко-термічну обробку сталі поділяють на такі види: цементація, азотування, ціанування (нітроцементація), дифузійне насичення сталі металами і неметалами.

Цементація сталі

Цементація – це технологічний процес дифузійного насичення поверхневого шару стальних деталей вуглецем.

Цементацію здійснюють для отримання твердої, стійкої до зношення поверхні, що досягається збагаченням поверхневого шару металу деталей вуглецем і подальшими гартуванням і низьким відпусканням. Крім того, після такого комплексного процесу підвищується границя контактної витривалості і границя міцності при згині і крутінні.

Для цементації звичайно використовують низьковуглецеві сталі, які містять 0,1...0,25 % вуглецю. Це забезпечує збереження серцевиною деталі, яка не насичується вуглецем при цементації, високої в’язкості після гартування. Поверхні деталі, які не підлягають цементації, захищають шаром міді завтовшки 0,02...0,05 мм. Цементації звичайно піддають деталі машин, які повинні мати стійку до зношення робочу поверхню і в’язку серцевину: зубчасті колеса, вали, пальці, розподільчі вали, кулачки, черв’яки тощо.

Цементацію проводять, як правило, при температурах, що перевищують точку Ас₃ (930...950 ⁰С), при яких стійкою фазою є аустеніт, який розчиняє вуглець у великих кількостях.

Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю по глибині, яка зменшується від поверхні до серцевини деталі. На поверхні деталі концентрація вуглецю після цементації досягає 0,8...1,0 %. Тому в структурі цементованого шару після повільного охолодження можна виділити три зони (рис.8.4): заевтектоїдну, що складається з перліту і цементиту; евтектоїдну, що складається тільки з пластинчастого перліту; і доевтектоїдну, що складається з перліту і фериту з поступовим зменшенням кількості перліту і збільшенням кількості фериту.

Поверхня деталі

Рис.8.4. Мікроструктура дифузійного шару після цементації низьковуглецевої сталі: 1 – заевтектоїдна зона; 2 – евтектоїдна зона; 3 – доевтектоїдна зона

Товщина цементованого шару звичайно становить 0,5...1,8 мм. При цьому зі збільшенням температури процесу збільшується товщина шару, яку отримують за певний проміжок часу.

Для забезпечення максимального опору контактній втомі кількість вуглецю на поверхні може бути підвищена до 1,1...1,2%. Але вища його концентрація викликає погіршення механічних властивостей цементованого виробу.

На практиці найчастіше застосовують два способи цементації: у твердому і газовому карбюризаторі.

Цементація у твердому карбюризаторі. Найбільш розповсюджений твердий карбюризатор складається в основному з деревного вугілля з додаванням вуглекислих солей (ВаСО₃, Na₂CO₃ та ін.) у кількості 10...40% від маси вугілля.

Деталі укладають у металеві ящики і засипають карбюризатором. Ящики герметизують, замазуючи щілини між кришкою і ящиком вогнетривкою глиною, завантажують у піч і витримують при температурі 930…950 С⁰. При цьому у цементаційному ящику відбуваються такі процеси:

1) вуглець деревного вугілля взаємодіє з киснем повітря, що залишився у ящику, за реакцією:

2С+О₂ → 2СО; (8.4)

2) вуглекислий барій і натрій при нагріванні розкладаються за реакціями:

ВаСО₃→ ВаО+СО₂; (8.5)

Na₂CO₃→Na₂O+CO₂; (8.6)

3) вуглекислий газ взаємодіє з вуглецем вугілля, утворюючи оксид вуглецю:

СО₂+С→ 2СО; (8.7)

4) оксид вуглецю, який утворився, розкладається у присутності заліза за реакцією:

2СО ↔ СО₂ + С_ат; (8.8)

5) активний атомарний вуглець, який утворюється в результаті реакції (8.7), абсорбується поверхнею деталі:

Fe_γ+C_ат→ Fe_γ(C); (8.9)

6) розчинений вуглець дифундує вглиб металу, утворюючи дифузійний шар з підвищеним його вмістом .

Вуглекислі солі служать для активізації карбюризатора, прискорюючи швидкість утворення атомарного вуглецю за реакціями (8.5), (8.6) , (8.7) і (8.8).

Тривалість цементації твердими карбюризаторами залежить від розмірів ящика та потрібної товщини шару і становить 10...20 год. Після цементації ящики охолоджують на повітрі до 400...500 ⁰С, потім розкривають.

Газова цементація. Її сутність полягає в тому, що процес здійснюється в печах з герметичною камерою, наповненою газовим карбюризатором. Як цементуючий газ використовують природний газ, пропан-бутанові суміші, рідкі вуглеводні, а також ендогази.

Газова цементація, порівняно з цементацією в твердому карбюризаторі, має переваги, основними з яких є:

1) можливість забезпечення заданої концентрації вуглецю у поверхневому шарі;

2) скорочення тривалості процесу завдяки відсутності в технологічному процесі цементаційних ящиків з малотеплопровідним карбюризатором;

3) можливість повної механізації та автоматизації процесу завдяки спрощенню термічної обробки деталей після цементації (гартування можна проводити безпосередньо з цементаційного нагріву після попереднього підстужування).

При використанні природного газу, основною складовою якого є метан СН₄, атомарний вуглець утворюється при дисоціації метану:

СН₄→С_ат+2Н₂ . (8.10)

Процес здійснюють при температурі 910...930 ⁰С протягом 6...12 год, при цьому одержують цементований шар завтовшки 1,0...1,7 мм.

Кінцеві властивості цементовані деталі отримують у результаті термічної обробки, яку проводять після цементації. Така обробка проводиться для виправлення структури серцевини і цементованого шару після тривалого високотемпературного процесу цементації, отримання високої твердості і стійкості до зношення поверхневого шару та добрих механічних властивостей серцевини деталі. У більшості випадків, особливо при обробці спадково дрібнозернистих сталей, застосовують гартування з температури 820...850 ⁰С. Така обробка забезпечує подрібнення зерна, повне гартування цементованого шару і часткову перекристалізацію та подрібнення зерна серцевини.

Після газової цементації часто проводять гартування безпосередньо із цементаційної печі після охолодження до 840...860 ⁰С. Така обробка не виправляє структуру цементованого шару і серцевини, тому її застосовують тільки для виробів, виготовлених із спадково дрібнозернистих сталей.

Інколи термічна обробка після цементації складається з подвійного гартування і відпуску. Перше гартування (або нормалізація) з нагріванням до 880...900 ⁰С проводять для виправлення структури серцевини, а друге гартування (760...780 ⁰С) – для усунення перегрівання цементованого шару і надання йому високої твердості та стійкості до зношення. Заключною операцією термічної обробки цементованих виробів є низьке відпускання (160...180 ⁰С), яке зменшує внутрішні напруги, поліпшує механічні властивості, зберігаючи високі твердість і стійкість до зношення поверхні деталі.

Азотування сталі

Азотуванням називають процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі азотом. Вперше був здійснений в 1913 р. М.П. Чижевським.

Азотування проводять для підвищення твердості, стійкості до зношення, границі витривалості і корозійної стійкості стальних виробів. Його перевагами перед цементацією є:

1) вища твердість азотованого шару(до1200HV);

2) вища теплостійкість азотованого шару – його твердість зберігається до 450...500 ⁰С;

3) вища корозійна стійкість азотованого шару.

Азотування проводять у герметичних камерах при температурі 500...600 ⁰С, в які з певною швидкістю подається аміак. Аміак при цьому розкладається за реакцією:

NH₃→N_ат+3/2Н₂. (8.11)

Атомарний азот абсорбується поверхнею стальних деталей і дифундує вглиб металу.

У системі Fe – N можливо утворення таких фаз:

ε–фаза – твердий розчин азоту на базі нітриду Fе₃N;

γ–фаза – твердий розчин на базі нітриду Fe₄N;

α-азотистий ферит з максимальним вмістом 0,42% N при 590 ⁰С і 0,01% N при 20 ⁰С;

γ-фаза – азотистий аустеніт, який при температурі 590 ⁰С розкладається на евтектоїдну суміш α+γ'.

Структура азотованого шару складається із механічної суміші твердих розчинів на основі нітридів Fe₄N і Fe₃N. Під цим шаром розміщується азотистий ферит. При наявності в сталі легуючих елементів азот також утворює нітриди: CrN, Cr₂N, Mo₂N, MnN, TiN, AlN, VN. Утворення дисперсних нітридів легуючих елементів перешкоджає руху дислокацій і внаслідок цього підвищують твердість азотованого шару. Найбільш сильно підвищують твердість азотованого шару алюміній, хром, молібден, ванадій. Тому, при необхідності забезпечення високої твердості і стійкості до зношення азотованої деталі, для її виготовлення застосовують середньовуглецеву сталь 38Х2МЮА. Одночасна присутність в даній сталі хрому, молібдену і алюмінію забезпечує твердість після азотування до 1200 HV. Молібден також усуває відпускну крихкість, яка може виникати при повільному охолодженні від температури азотування.

Азотування – дуже повільний процес, який триває, звичайно, до 60 год. Для прискорення процесу застосовують ступінчасте азотування, іонне азотування, азотування в рідких середовищах складу 40 % КСNO + 60 % NaCN (теніфер-процес) тощо.

Азотують циліндри двигунів, насосів, шестерні, копіри верстатів, втулки, клапани двигунів внутрішнього згоряння, матриці і пуансони штампів. Недоліком азотування є крихкість азотованого шару.