Химико-термическая обработка. Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали каким-либо химическим элементом (угле­родом

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 этим элементом, и нагревают. При этом происходят следующие процессы:

диссоциация – распад молекул во внешней среде и обра­зование атомов диффундирующего элемента;

адсорбция – осаждение атомов элемента на поверхности стальной детали;

диффузия – проникновение атомов элемента вглубь металла (в поверхностные слои детали).

При химико-термической обработке в стали протекают фазовые превращения, связанные с нагревом и охлаждением, изменяется химический состав и структура поверхностных слоев, что в широких пределах изменяет свойства.

3.3.1. Операции химико-термической обработки

Цементация стали – операция диффузионного на­сыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали угле­родом при нагревании выше критических точек в соответствующей среде – карбюри­заторе.

При науглероживании, а затем закалке и отпуске поверхностный слой приобретает высокую твердость, износостойкость, в нем образуется остаточное напряжение сжатия. Сердцевина из­делия (углерода – менее 0,3 %) закалку не воспримет – оста­нется мягкой, пластичной.

Цементации подвергают конструкционные углеродистые и легированные стали с низким содержанием углерода (например, марки 15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 12ХН3А и др.). Этот процесс широко применяется в локомотиво-, станко- и автотракторостроении, инструментальном производстве и т. п.

Цементация в твердом карбюризаторе – наиболее древ­ний способ. В настоящее время используется редко (чаще в единичном и мелкосерийном производстве). Карбюризатор – смесь порошка древесного угля и углекислых солей бария и натрия (10 – 40 %). Детали укла­дывают в стальной ящик, равномерно пересыпая карбюриза­тором. Ящик закрывают, помещают в печь и нагревают до 925 – 950°С. Длительность выдержки после нагрева зависит от требуемой глубины слоя (0,5 – 2,0 мм) при содержании в нем углерода до 1,0 – 1,2% (10 ч – для слоя глубиной в 1 мм). Контроль за процессом ведется по изломам стержней (свидетелей), специально вставляемых в ящик вместе с деталями.

Газовая цементация впервые применена Павлом Петровичем Аносовым в тридцатых годах девятнадцатого столетия на златоустовском заводе, в СССР впервые внедрена на московском автозаводе имени Лихачева. Ее проводят в печах непрерывного действия. Детали помещают в печь на поддонах, подвесках или в корзинах. В качестве карбюризатора применяют есте­ственные (природные) и искусственные газы. Используют жидкие карбюризаторы (бензол, керосин, синтин), которые подаются в печь через капельницу.

При газовой цементации детали находятся в постоянном контакте с углеродосодержащими газами. При высокой температуре газы диссоциируют с выделением атомарного углерода, который оседает на поверхности стали и диффундирует в глубину детали. При газовой цементации выдержка составляет 4 – 5 ч на 1 мм глубины науглероженного слоя.

По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация имеет ряд преимуществ:

нагрев деталей происходит значительно быстрее и сокращается необходимое время выдержки при цементации;

возможность регулировки количества и состава цементирующего газа;

возможность полной механизации и автоматизации процесса;

улучшение условий труда.

Газовая цементация получила широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве, где затраты на специальное оборудование экономически целесообразны.

Микроструктура низкоуглеродистой стали после цемен­тации изменяется от поверхности к центру детали (рис. 7). Поверх­ностная зона (заэвтектоидная) имеет структуру «перлит и цементит», затем идут эвтектоидная зона (перлит) и переходная, доэвтектоидная (перлит и фер­рит). Чем ближе к сердцевине, тем больше в переходной зоне феррита и меньше перлита. За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до середины переходной (третьей) зоны.

Задача цементации – получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь благоприятное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка с низким отпуском, при которой на поверхности получается мартенсит, а в сердцевине сохраняются низкая твердость и высокая вязкость.

Рис. 7. Микроструктура цементованной стали

Такая термическая обработка обеспечивает твердость поверхностного слоя HRC60 – 64 у углеродистых сталей и HRC58 – 62 – у легированных. Твердость сердцевины – HRC25 – 35 (в зависимости от состава стали).

Для закалки цементованные детали нагревают до 820 – 850°С с охлаждением в воде. Это обеспечивает измельчение зерна и закалку цементованного слоя, а также частичную перекристаллизацию с измельчением зерна сердцевины. Структура поверхностного слоя – мартенсит с небольшим количеством вторичных карбидов, твердость – HRC56 – 63.

При повышенных требованиях к свойствам деталей применяют двойную закалку или нормализацию и закалку. Первая закалка (или нормализация) – для измельчения зерна и ис­правления структуры перегретой стали (температура – 880 – 900°С), вторая закалка (неполная) – для получения мартенсита в поверхностном слое (температура – 760 – 780°С).

Цементованные стали после закалки обязательно под­вергают низкому отпуску при температуре 160 – 180°С.

Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных деталей вследствие образования в поверхностном слое остаточного напряжения сжатия и понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Цементованная сталь обладает высокой износостойкостью и контактной прочностью.

Азотирование – операция диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом, которая резко повышает твердость и износостойкость поверхностного слоя, предел выносливости и сопротивление коррозии.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные алюминием, хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием (38ХЮ, 38ХМЮА,| 38ХВФА), образующие в по­верхностных слоях нитриды легирующих элементов.

Детали, прошедшие улучшение (закалку с высоким от­пуском), нагревают в среде аммиака до 500 – 520°С и вы­держивают 24 – 60 ч. Предварительная термообработка необходима для получения повышенной прочности и вязкости сердцевины изделия. Толщина азотированного слоя – 0,3 – 0,6 мм, твердость его – HRC54 – 66. Наиболее высокую твердость имеют стали, легированные алюминием и ванадием.

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

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

Нитроцементация проводится для углеродистых и леги­рованных сталей при температуре 840 – 860°С. Продолжи­тельность операции – 4 – 10 ч, глубина слоя – 0,2 – 0,8 мм.

После нитроцементации следует закалка стали либо непосредственно из печи с подстуживанием до 825 – 800°С, либо (реже) после охлаждения и повторного нагрева. Отпуск – низ­кий, при температуре 160 – 180°С. Твердость слоя после закалки и отпуска – HRC58 – 64. Структура нитроцементуемого слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита. Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость деталей, например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальная прочность нитроцементуемой детали достигается только при оптимальном содержании в поверхностном слое углерода и азота.

Нитроцементацию проводят для деталей сложной формы, склонных к короблению, и по сравнению с газовой цемента­цией она имеет следующие преимущества: более низкая тем­пература процесса и меньшее коробление изделий, выше сопротивление износу и коррозии. Процесс широко приме­няется на автотракторных заводах и все больше заменяет газовую цементацию. Например, на ВАЗе 95% деталей, проходящих химико-термическую обработку, подвер­гают нитроцементации.

Борирование – операция насыщения поверхностно­го слоя стали бором. Она обеспечивает высокую твердость, износостойкость и устойчивость против коррозии в различных средах. Этой операции подвергают любые стали, но углерод и легирующие элементы уменьшают глубину борированного слоя, которая обычно достигает 0,1 – 0,2 мм. В поверхностном слое образуется борид железа, а в подпо­верхностном – борид железа и альфа-твердый раствор. Твер­дость поверхности – HV1800 – 2000 (более HRC72).

Борированию подвергают поверхности штампов для горячей штамповки, детали оборудования нефтяной и химической промышленности, например, втулки грязевых нефтяных насосов для повышения их устойчивости против абразивного изнашивания.

3.3.2. Диффузионная металлизация

Насыщение поверхности стали элементами-металлами (алюминием, хромом и т. п.) называется диффузионной ме­таллизацией.

Алитирование – операция насыщения поверхности деталей алюминием для повышения их жаростойкости (окалиностойкости). При нагревании на поверхности детали образуется плотная пленка окиси алюминия, которая защи­щает основной металл от окисления. Жаростойкость алитированных деталей – до 850 – 900°С. Твердость поверхности после алитирования возрастает до НВ400 – 450, износостой­кость слоя низкая. Устранение хрупкости и выравнивание содержания алюминия в поверхностном и подповерхностном слоях достигаются диффузионным отжигом при температуре 950 – 1000°С в течение 3 – 5 ч.

Алитированию чаще подвергают детали из низкоуглеродистых, реже – среднеуглеродистых, легированных сталей и чугунов (клапаны, лопатки турбин, трубы коллекторов, чехлы термопар и т. п.). Увели­чение содержания углерода и легирующих элементов в стали понижает скорость диффузии алюминия, что увеличивает продолжительность процесса и снижает производительность. Эту операцию проводят в твердой, жидкой или газообразной среде. Глубина алитированного слоя – 0,15 – 0,45 мм.

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. Жаростойкость хромированной стали – до 800°С. Глубина хромированного слоя – 0,05 – 0,20 мм.

Хромируют стали с различным содержанием углерода. С увеличением его содержания диффузия хрома замедляется. При одинаковых режимах (температуре и выдержке) макси­мальная глубина слоя будет у низкоуглеродистой стали.

Антикоррозионными свойствами во многих средах (мор­ской воде, сернистых и углекислых газах) обладают хромиро­ванные слои любых сталей, но более устойчивы они у средне- и высокоуглеродистых, которые хорошо сопротивляются действию 20 %-ной соляной и 30 – 50 %-ной азотной кислоты.

Хромированию подвергают детали паросилового обору­дования, пароводяной арматуры, a также детали, работаю­щие на износ в агрессивных средах (клапаны, вентили, втулки и т. п.).

Хромированный слой низкоуглеродистой стали – твердый раствор хрома в альфа-железе – обладает низкой твердо­стью (НВ180 – 200) и высокой пластичностью. Детали можно сгибать, осаживать, т. е. пластически деформировать.

У средне- и высокоуглеродистых сталей хромированный слой состоит преимущественно из карбидов хрома, поэтому его твердость высокая – до HRC72 (HV1200 – 1300) и превос­ходит твердость азотированной и цементованной закаленной стали. Слой обладает высокой износоустойчивостью, но и повышенной хрупкостью, что является его основным недо­статком.

Силицирование – операция насыщения поверхно­стного слоя стали кремнием. Проводится для деталей, рабо­тающих в агрессивных средах, при высокой температуре и в условиях трения для оборудования нефтяной, химической и бумажной промышленности (детали насосов, арматура, па­трубки, винты).

Силицированные детали обладают высокой жаростойкостью (окалиностойкостью) – до 700 – 750°С – и кислотоупорно­стью, так как образующаяся на поверхности окисная пленка кремния предохраняет металл от дальнейшего окисления и является стойкой к кислотам любой концентрации (азотной, серной, соляной) при их температуре до 100°С.

Несмотря на низкую твердость – НВ270 (HV250 – 300) – силицированный слой плохо обрабатывается режущими инструмен­тами, отличается пористостью, но обладает высокой износо­стойкостью после пропитки маслом при 170 – 200°С. Силицированные изделия можно деформировать и накатывать на них резьбу.

Наиболее широко применяется газовое силицирование порошковым методом. В рабочее пространство печи помеща­ют детали, засыпают их порошковым ферросилицием или карбидом кремния, нагревают до 950 – 1000°С и пропускают хлор. Образуется хлористый кремний. При контакте с поверхностью детали из него вытесняется атомарный кремний, диффун­дирующий в сталь. Процесс ведут в течение 2 – 5 ч. Силицированный слой толщиной 0,5 – 1,4 мм представляет собой твердый раствор, содержание кремния в котором до 14 %.

Кроме перечисленных операций химико-термической об­работки в машиностроении используются диффузионное цинкование, титанирование, боралитирование, боросилицирование и другие операции многокомпонентного насыщения поверхности деталей несколькими металлами и металлои­дами.

СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Алюминий и его сплавы

Алюминий – серебристо-белый металл с плот­ностью 2,7 г/см³ (2700 кг/м³); температура плавления – 660°С, имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), по­лиморфизмом не обладает. Электро- и теплопроводность вы­сокие (65 % от электропроводности меди). Имеет высокую отражательную способность и широко используется в рефлек­торах, прожекторах, телеэкранах. Алюминий обладает высо­кой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной плотной пленки Al₂O₃. Из него изготавливают посуду, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов.

Алюминий хорошо сваривается, легко деформируется в холодном состоянии, плохо обрабатывается на станках и имеет низкие литейные свойства (большая усадка – 6 %).

В зависимости от содержания примесей различают алю­миний особой чистоты – А999 (0,001 % примесей), высокой чистоты – А995, А99, А97, А95 (0,005 – 0,05 % примесей) и технической чистоты – А85, А8, А7, А5, А0 (0,15 – 1,0 % примесей). Примеси алюминия: железо, кремний, медь, мар­ганец, цинк, титан.

Механические свойства алюминия высокой чистоты: s_в = 50 МПа; d = 50 %. Его основным потребителем является электротехническая промышленность. Алюминий технической чистоты используется для получения сплавов и производства деформированных АД, АД1 (буква «Д» – деформированный) полуфабрикатов: листов, профилей, прутков, проволоки и т. п.

Механические свойства прокатанного и отожженного алюминия АДМ («М» – мягкий): s_в = 80 – 90 МПа; d = 35 – 40 %; НВ20 – 25. При холодной пластической деформации (на­клепе) прочность и твердость технического алюминия АДН («Н» – нагартованный) повышаются (s_в = 160 – 170 МПа; НВ40 – 45), а пластичность снижается (d = 6 %). Отжиг для снятия наклепа и восстановления пластичности проводится при температуре 350°С.

Сплавы алюминия классифицируются по технологии изготовления изделий: деформируемые, спе­ченные (порошковые) и литейные. Деформируемые делятся на не упрочняемые термической обработкой (однофазные) и упрочняемые термической обработкой (многофазные). Ли­тейные сплавы могут упрочняться термической обработкой.

4.1.1. Деформируемые сплавы алюминия

Деформируемые сплавы, не упроч­няемые термической обработкой, – это сплавы алю­миния с марганцем (АМц) или с магнием (АМг). Они харак­теризуются коррозионной стойкостью, хорошо свариваются, а структура твердого раствора обеспечивает их высокую пластичность (легко обрабатываются давлением в холодном состоянии).

Сплав АМц (1,0 – 1,6 % Mn) превосходит чистый алюми­ний по прочности и коррозионной стойкости. Магний (1,8 – 6,8 %) значительно повышает прочность, не снижая пластичности сплавов АМг (табл. 2), и делает их более легкими, так как плотность магния (1700 кг/м³) меньше, чем у алюми­ния. Сплавы АМг легируют марганцем, который упрочняет их и способствует измельчению зерна.

Максимальной пластичностью сплавы обладают в отож­женном состоянии (АМцМ, АМг2М – мягкие), но используют их и полунагартованными (АМг2П) или нагартованными (АМг2Н). Характеристики этих сплавов приведены в табл. 2 для отожженного, а в скобках – для полунагартованного состояния. Температура отжига сплавов – 350 – 420°С, охлаждение – на воздухе. Для частичного снятия наклепа иногда проводят низкий отжиг при 150 – 300°С.

Сплавы АМц и АМг применяются для сварных и клепа­ных элементов конструкций, испытывающих небольшие на­грузки и обладающих высоким сопротивлением коррозии. Их используют при изготовлении бензо- и маслопроводов, емко­стей для жидкостей, в авиа- и судостроении, в строительстве (витражи, двери, оконные рамы) и для изделий, получаемых глубокой вытяжкой при штамповке из листового материала.

Таблица 2