Структурные составляющие: аустенит, карбиды, мартенсит

Марка стали: 40Х13

Термообработка: 980° С в течение 15 мин, 710° С в течение 100 сек, охлаждение в воде.
Карбиды выделяются в виде мелких гло­булей по границам первичных аустенитных зерен. Матрица — мартенсит, отдельные кристаллы которого имеют форму пластин неправильной формы

Микроструктура стали 40Х13: аустенит,

мартенсит, карбиды.

Цементация широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование 0,05–0,010 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди (0,02–0,04 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией подвергнуть промывке в 3 – 5% содовом растворе.

АЗОТИРОВАНИЕ.

Азотированием называется насыщение поверх­ности стали азотом.

Основоположником азотирования стали явля­ется русский ученый проф. Н. П. Чижевский, который впервые ис­следовал и применил этот процесс.

Для азотирования используют аммиак NH₃. Сущность азотирования заключается в том, что ам­миак при температуре 500—750° С разлагается на азот и водород, и активные атомы азота (атомарный азот), диффундируя в поверхност­ный слой, сообщают поверхности стали большую твердость, не влияя на механические свойства сердцевины деталей.

После окончательной механической обра­ботки детали закаливают от температуры 960° С с охлаждением в воде или в масле и подвергают отпуску при 600° С также с охлаждением в воде или в масле. Затем детали азотируют.

Продолжитель­ность азотирования от 12 до 60 и даже до 90 часов в зависимости от требуемой толщины азотированного слоя и характера процесса.
Длительность выдержки деталей в потоке аммиака в печи влияет на глубину азотированного слоя. В среднем при 500° С азот за каж­дые 10 часов диффундирует на глубину 0,1 мм. На практике для сокращения времени азотирования процесс ведут путем ступенча­того нагрева: вначале в течение 12—15 часов при температуре 500— 520° С; затем температуру поднимают до 550—600° С и дают выдерж­ку 15—20 часов. При таком режиме длительность процесса удается сократить в 2,0—2,5 раза. В промыш­ленности для изготовления деталей, подлежащих азотированию, в настоящее время широко применяют сталь марки 35ХМЮА или ее заменитель 35ХВФЮА.

В результате азотирования твердость стали достигает НВ 1000—1100; последующей термической обработ­ки не требуется.

Азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией:

- обеспечивает бо­лее высокую твердость и износоустойчивость (при нагреве до тем­пературы 500—550° С твердость азотированных деталей не снижа­ется);

- Сообщает деталям хорошую сопротивляемость действию пе­ременных нагрузок, высокий предел выносливости и коррози­онную стойкость.

Недостаток азотирования — длительность про­цесса.

Азотирование применяют в машиностроении для получения вы­сокого качества дизельной аппаратуры, измерительного инстру­мента, зубчатых колес и др.

ЦИАНИРОВАНИЕ.

Цианирование (нитроцементация) — процесс одновременного насыщения поверх­ности стали углеродом и азотом для придания ей высокой твердости, сопротивляемости истиранию и коррозионной стойкости.

Такой способ цементирования расплавленной железосинеродистой солью K₄Fe (CN)₆ применялся в практике уже давно под названием жидкой цементации, причем раньше оставалось невыясненным влияние азота, и процесс относили к виду цементирования углеродом.

Различают жидкое и газовое цианирование.

Проводится цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в газовой среде, содержащей смесь метана СН₄ и аммиака NH₃.

Газовое цианирование (нитроцементирование). Этот способ отличается от газового цементирования тем, что к цементирующему газу добавляется аммиак, дающий активированные атомы азота, которые вызывают дополнительное азотирование металла и, кроме того, ускоряют диффузию углерода.

В связи с тем, какой из процессов должен преобладать, применяют два вида газового цианирования, называемого нитроцементацией.

1. Низкотемпературное цианирование, производится при 500-700°.

Когда получается преимущественно диффузия азота с образованием нитридов, но с некоторым количеством продиффундировавшего углерода (поскольку диффузия последнего ускоряется и температура ее снижается от присутствия азота).

Этот способ, так же как низкотемпературное жидкое цианирование, широко применяется для повышения стойкости быстрорежущих инструментов.

2. Высокотемпературное цианирование, производится при 800-850°.

Здесь преобладает цементирование углеродом с преимущественным образованием аустенита, подвергаемого закалке. Отличие от простого газового цементирования, связанное с присутствием азота, заключается в более низкой температуре процесса и меньшей его продолжительности (1-5 час).

По сравнению со способами твердого и газового цементирования высокотемпературное цианирование отличается значительно большей скоростью процесса: продолжительность от 5 мин. и не более 1 часа. Благодаря этому, а также сравнительно низкой температуре изделие закаливается непосредственно из ванны и имеет хороший вид поверхности.

Все виды жидкого цианирования дают обычно резкое цементирование углеродом совместно с азотом, причем роль последнего становится тем больше, чем ниже температура ванны.

Цианированный слой стали отличается твердостью и высоким сопротивлением износу.

Недостатками этой операции являются: потеря дорогостоящих цианистых солей от разбрызгивания и улетучивания и опасность работы с ними (ядовиты).

ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ.

Кроме указанных процессов на­сыщения поверхности стали углеродом и азотом, широко применяют насыщение стали алюминием, хромом, кремнием и др.

Этот про­цесс применяют главным образом с целью получения стальных дета­лей, устойчивых против разъедания щелочами и кислотами, а так­же с целью повышения устойчивости стали против окисления горячи­ми печными газами, т. е.

против окалинообразования.

АЛИТИРОВАНИЕ

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей алюминием с целью повышения их жаростойкости.

Алитированию подвергают главным образом мало­углеродистые стали.

Процесс алитирования может происходить в твердой, жидкой и газообразной средах.

Наиболее распространен способ алитирования в твердой среде.

Детали, подлежащие алити­рованию, укладывают в железные ящики со смесью, состоящей из 49% порошка алюминия, 49% окиси алюминия и 2% хлористого аммония. Укладывать детали в ящики следует так же, как при це­ментации в твердом карбюризаторе. Ящики плотно закрывают крыш­ками, обмазывают огнеупорной глиной, погружают в печь и на­гревают в течение 5—10 часов при температуре от 900 до 1100° С. За это время образуется алитированный слой глубиной 0,3—1,0 мм.

При газовом алитировании изделие вместе с порошком ферро­алюминия погружают в реторту и пропускают хлористый водород. После обменных реакций, протекающих при температуре 850 — 1000° С, атомарный алюминий диффундирует в поверхностные слои деталей. Процесс газового алитирования длится обычно не более 4 часов. За это время можно получить алитированный слой глубиной 0,4 мм.

После окончания процесса как жидкого, так и газового алитирова­ния рекомендуется производить диффузионный отжиг. В ре­зультате отжига содержание алюминия в поверхностном слое сни­жается, что уменьшает хрупкость алитированного слоя.

ХРОМИРОВАНИЕ.

Диффузионным хромированием называют процесс насыщения поверхности стали хромом. Хромирование может производиться в твердых, газовых и жидких средах.

В низкоуглеродистых сталях хром растворяется в α-железе. В высокоуглеродистых сталях хром образует карбиды.

Хромированию подвергают различные детали и инструменты, от которых требуются высокая износоустойчивость, коррозионная стойкость и жаропрочность, — такие, как сверла, калибры, клапаны компрессоров и т. д. Жаростойкость хромированных сталей состав­ляет 800—850° С.

СИЛИЦИРОВАНИЕ

Силицированием называют процесс поверхностного насыщения стали кремнием с целью повышения кислотоупорности, сопротивле­ния износу и жаростойкости деталей. Силицирование проводят в твердом, жидком и газообразном цементаторе.

Для твердого силицирования используют смесь ферросилиция с шамотом. Чтобы ускорить процесс, добавляют хлористый алюминий. Процесс ведут при 1100 — 1200° С. При вы­держке 4—10 часов образуется силицированный слой глубиной 0,2—0,7 мм.
При жидком силицировании используют хло­ристые соли с добавкой ферросилиция. Процесс ведут при 950— 1000° С.

Газовое силицирование имеет наибольшее про­мышленное значение; его проводят аналогично алитированию, с ис­пользованием ферросилиция. Процесс идет более интенсивно, чем в предыдущих случаях. После выдержки при 1050° С в течение 2 часов получают слой толщиной 1,0 мм, насыщенный кремнием.

Характерной особенностью силицированного слоя является его пористость. Если проварить деталь в масле при температуре 150— 200° С, масло, впитываясь в поры, способствует самосмазыванию детали, повышая ее стойкость при работе на истирание.

Жаростой­кость силицированных деталей не превышает 800—850° С.

В последние годы разработаны новые процессы повышения износоустойчивости стальных деталей, которые называются сульфидированием и сульфоцианированием.

Сущность сульфидирова­ния заключается в насыщении поверхности стальных деталей се­рой на глубину 0,2—0,3 мм путем их нагрева в расплавленных серноазотистых солях при температуре 550—600° С с выдержкой в те­чение 2—3 часов. В результате поверхность деталей насыщается се­рой до 0,5% и азотом до 1,0%.

Сульфидированные детали хорошо работают на трение. По лабораторным исследованиям износоустой­чивость деталей после сульфидирования повышается в 2—3 раза.
Сульфоцианирование — процесс поверхностного на­сыщения стали серой, углеродом и азотом. Совместное влияние серы и азота в поверхностном слое металла обеспечивает более высокую износоустойчивость. Сульфоцианирование проводится обычно в соляных ваннах при температуре 550—600° С.