Химико-термическая обработка
Цель работы: изучение способов химико-термической обработки стали (ХТО) и их назначение, изучение структур и свойств стали после ХТО и последующей термической обработки.
Оснащение рабочего места
Микроскопы металлографические – 7 шт.
Комплекты микрошлифов – 7 шт.
Плакаты: «Химико-термическая обработка», «Диаграмма железоуглеродистых сплавов», «Микроструктура стали после ХТО».
Учебные пособия, образцы деталей, древесный уголь.
Основные положения
ХТО – это технологические процессы насыщения поверхностного слоя деталей каким-либо химическим элементом, находящимся в атомарном состоянии при высокой температуре. В зависимости от насыщающего элемента они называются: цементация (при насыщении углеродом); борирование насыщение бором, кремнием – силицирование, алюминием-алитирование и др.
Целью ХТО является увеличение износостойкости, коррозионностойкости, выносливости, жаростойкости и др. свойств за счет изменения химического состава поверхностного слоя детали и его строения.
Цементация - это процесс насыщения углеродом поверхностного слоя деталей, изготовленных из малоуглеродистых (0,1-0,3% С) сталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические (ударные) или переменные нагрузки. К таким деталям относятся: зубчатые колеса, шейки валов, поршневые пальцы и др., изготавливаемые из сталей марок 10, 15, 20, 25, 30, 12ХН3А, 12Х2Н4, 15Г, 15Х, 15Н, 15ХФ, 15ХР, 20Г, 20Х, 20ХГР, 20ХН, 18ХГТ, 18Х2Н4В, 30ХГТ и др., т. е. таких сталей, которые в исходном (до цементации) состоянии не закаливаются или их нет смысла закаливать из-за недостаточной закаливаемости (твердости после закалки) или износостойкости. После цементации и последующей термообработки насыщенный углеродом поверхностный слой детали имеет высокую твердость и износостойкость и вязкую надежную сердцевину, хорошо выдерживающую динамические нагрузки.
Условия цементации:детали нагревают до t = 900 – 950 ºС в углеродсодержащей среде, которая называется карбюризатором. Выдержка при этой температуре из расчета на толщину цементированного слоя 0,5 - 2,0 мм и скорости цементации 0,1 мм/час, при твердой цементации (карбюризатор – гранулы древесного угля); 0,15 мм/час при газовой (газ типа Cn Н2n, Cn Н2n+1), 0,3 - 1,0 мм/час при жидкой (расплав солей). Температура нагрева выбрана не случайно, т. к. при такой температуре стали состоят из аустенита, который способен растворить большое количество углерода, (рис. 1). Обычно на поверхности детали содержание углерода после цементации составляет около 1,0% (рис. 2).
Рисунок 1 – Область цементируемых сталей (0,1…0,3)% С; 
- диапазон температур нагрева при цементации
Рисунок 2 - Микроструктура цементованного слоя: 1 – зона заэвтектоидной стали; 2 – зона эвтектоидной стали; 3 – зона доэвтектоидной стали; 4 – зона с исходной структурой
После цементации проводят термообработку детали – закалку и низкий отпуск при t = 150 - 200°С. Закалку проводят по одному из следующих режимов:
а) после газовой или жидкой цементации детали подстуживают до t = 780 - 800°С и затем закаливают. Этот режим применяют для наследственно мелкозернистых сталей;
б) остывшие после цементации детали нагревают до t=850-900°С и закаливают;
в) двойная закалка – первая с температуры нагрева t=850-900, вторая с t=760-800°С. Назначение первой – измельчить структуру сердцевины детали и разрушить цементитную сетку на поверхности, второй – измельчить структуру поверхности, добиться шаровидной формы цементита на поверхности.
Структура цементованного слоя после термообработки показана на рис. 3 и 4.
Рисунок 3 - Микроструктура цементованного слоя легированной стали после термообработки: полная закалка + низкий отпуск
Рисунок 4 - Микроструктура цементованного слоя легированной и углеродистой стали после термообработки: неполная закалка + низкий отпуск
Азотирование - это процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом, который проводят при t = 500 - 650ºС в атмосфере с атомарным азотом, получаемым при распаде аммиака по реакции NH3® N + 3H.
Азотированию подвергаются готовые детали, изготовленные из легированных сталей (содержащих Cr, Мо, Аl, V, W, Ti, например, сталь 38Х2МЮА) и прошедшие окончательную термообработку (улучшение) и механическую обработку, с целью повышения их твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, прочности.
После азотирования в сердцевине детали получается структура сорбита, полученная термообработкой до процесса азотирования, а поверхностный слой толщиной 0,01-0,6 мм (в зависимости от назначения) имеет микроструктуру, указанную на рис. 5. Скорость азотирования составляет примерно 0,01 мм/ч.
Достоинством азотированного слоя является сохранение твердости и износостойкости до температуры 600 - 650°С (те же свойства цементованного слоя сохраняются до t = 180 - 250°С).
Рисунок 5 – Микроструктура азотированного слоя
Цианирование - это процесс насыщения поверхностного слоя детали одновременно азотом и углеродом, который проводится с целью увеличения его твердости, износостойкости, прочности, коррозионной стойкости.
Режимы цианирования:
а) высокотемпературный – при t = 800 - 950°С, когда поверхность содержит 1,2 - 0,8% С и 0,2 - 0,3% N и детали требуют такой же термообработки, как и после цементации;
б) низкотемпературный – 500 - 600°С, когда поверхностный слой насыщается главным образом азотом, поэтому такому цианированию подвергают детали, уже прошедшие окончательную термическую и механическую обработку.
Рисунок 6 – Микроструктура цианированного слоя
Задание студенту
1. Рассмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуру цементированного слоя. Замерить толщину цементированного слоя.
2. Рассмотреть микроструктуру цементированного слоя после термообработки и зарисовать ее.
3. Измерить твердость цементированных деталей, результаты занести в таблицу и сделать выводы.
4. Рассмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуру азотированного слоя.
5. Рассмотреть под микроскопом и зарисовать микроструктуру цианированного слоя.
Содержание письменного отчета
1. Записать общие положения ХТО.
2. Записать суть, цель и режимы цементации, азотирования, цианирования и результаты выполнения пунктов 1, 2, 3, 4, 5 задания.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение ХТО.
2. Назовите цель ХТО и область ее применения.
3. Что такое цементация, в чем ее суть и назначение?
4. Каковы технологические параметры цементации?
5. Какие стали подвергаются цементации и почему?
6. Какова структура стали после цементации?
7. Какая термообработка проводится после цементации?
8. Что такое азотирование, в чем его суть и назначение?
9. Какие стали подвергаются азотированию?
10. В чем заключается преимущество азотирования перед цементацией?
11. В чем заключается преимущество цементации перед азотированием?
12. Каковы недостатки процессов цементации и азотирования?
13. Нужна ли термообработка после азотирования? Почему?
14. Нужна ли термообработка после цианирования? Когда? Почему?
Литература
1. Арзамасов Б. Н. и др. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.
2. Гуляев А. П. Металловедение. М.: Металлургия, 1987.
3. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1979.
4. Мозберг Р. К. Материаловедение. М.: 1990.
Лабораторная работа № 12