Химико-термическая обработка (ХТО).
ХТО – это сочетание воздействий на деталь химической среды и теплового воздействия с целью изменения химического состава и свойств поверхности детали.
ХТО делится на:
1. ХТО с насыщением не металлами (C, N, Si, B).
2. ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn).
3. Многокомпонентная ХТО.
Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:
1) Создание активных атомов.
2) Перенос активных атомов к поверхности детали и взаимодействие их с поверхностью.
3) Диффузия активных атомов в глубь металлов.
Все эти 3 стадии процесса идут последовательно и поэтому общая скорость ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.
Обычно наименьшая скорость – это скорость диффузии в металле. Для ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности детали. Технологический процесс насыщения поверхности детали может происходить по-разному:
1) способ насыщения из порошковых засыпок, т.е. деталь засыпают порошками, содержащими нужные элементы. Способ самоуниверсальный, наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и потребность в большом количестве порошка;
2) насыщение из газовой фазы. Детали помещают в специальные печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.
3) Насыщение из жидкой среды. При этом способе детали помещают в расплавы солей, щелочей, металлов, содержащих нужный элемент.
4) Насыщение из пасты. Этот способ применяется для местного насыщения детали легирующими элементами.
5) Насыщение вакуумом. Деталь помещают в вакуумную камеру, нагревают и конденсируют на нее атомы легирующих элементов. Применяется для специальных деталей или детали, которые не должны окисляться.
Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является основным компонентом в данной детали.
Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры.
Если нам известна необходимая толщина насыщенного легирующим элементом поверхностного слоя, то процессы ХТО ведут до тех пор пока на границе этого слоя не будет достигнута необходимая концентрация этого элемента.
Глубина насыщенного слоя определяется коэффициентом диффузии Д, t – время.
Глубина диффузного слоя в значительной степени зависит от коэффициента диффузии легирующего элемента и от времени насыщения. Коэффициент диффузии определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение. Толщина насыщенного слоя определяется, прежде всего, временем, но для того, чтобы увеличить толщину слоя в 2 раза необходимо увеличить время обработки (насыщения) в 4 раза. Если взаимодействие легирующего элемента с основным компонентом носит более сложный характер, то структура слоя будет более сложная и будет соответственно отражать фазовый состав, наблюдается на диаграмме состояния, которая образуется при взаимодействии основного компонента с насыщающим элементом.
Если взаимодействие образуется в несколько фаз (твердых растворов или химических соединений), то все эти фазы будут образовываться в поверхностном слое в порядке убывания концентраций. Каждый из слоев будет соответствовать отдельной фазе . Причем изменение концентрации в этом слое будет соответствовать изменению концентрации на диаграмме состояния при этой температуре. Двухфазные слои могут образовываться при ХТО только в тех случаях, когда во время охлаждения одна из фаз в результате какой-либо реакции распадается на смесь нескольких фаз.
Изменение структуры поверхности при ХТО составляет направленную диффузию легирующего элемента. В начале на поверхности образуется зародыши новых фаз, затем они растут в глубь детали, создавая на поверхности характерную столбчатую структуру.
В нескольких случаях после ХТО проводят дополнительную обработку, включая в себя закалку отпуск для того, чтобы получить необходимую структуру на поверхности нужные свойства.
Насыщение металлов неметаллами.
Основные виды ХТО разработаны и применяются для стальных деталей. В зависимости от основного насыщенного компонента эти виды называют:
1. Цементация – насыщение углеродом.
2. Азотирование – насыщение азотом.
3. Сульфатирование – насыщение серой.
4. Силицирование – насыщение кремнием.
5. Борирование – насыщение бором.
Возможно также многокомпонентное насыщение.
Насыщение С и N – нитроцементация
N-S – сульфоазатирование.
Цементация стали
Цементация вызывает процесс насыщения поверхностей деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости. Цементацию применяют для деталей, в которых твердость поверхности должна сочетаться с вязкой сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. Цементации подвергают стали, в которых содержание углерода не превышает 0,1-0,25% С.
Цементацию насыщением С проводят либо из твердой среды, либо в специальных газовых печах, куда вводятся предельные углеводороды, содержащие большое количество С, твердая среда состоит из угля С = 80%, углекислой соли Ca Co3. Для активного прохождения насыщенности углеродом необходимо обеспечить перенос С от твердого карбюратора на поверхность детали. Этот перенос осуществляется за счет существования газовой фазы, содержащей окись углерода СО. В печах зацементация происходит за счет насыщения безгазовой фазы, доставка С на поверхности детали осуществляется при распаде предельных углеводородов. Процесс цементации ведется при высоких температурах порядка 900 – 9500С. Такая температура необходима для перехода структуры в аустенитное состояние.
Температура цементации должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить аустенитную структуру и чтобы не вызвать рост зерна. Продолжительность процесса цементации определяется необходимой глубиной насыщаемого слоя и определяется исходя из скорости насыщения 0,1 мм/час. Общая продолжительность 8-10 часов. После окончания процесса цементации деталь охлаждается, при этом происходит изменение её структуры.
Если деталь содержит 0,1-0,25 % С, то исходящая структура была Ф+П.
После цементации структура поверхностного слоя соответствует изменением структуры на диаграмме Fe-C. При этом на поверхности детали возникает неблагоприятная структура, в виде сплошной сетки вторичного цементита по границе зерен.
Несмотря на самую высокую твердость цементитная сетка сильно охрупчивает металл и может вызвать выкрашивание поверхности.
Для исправления структуры и получения нужных свойств детали после цементации в обязательном порядке подвергают дополнительной термообработке. Она включает в себя одинарную или двойную закалку и последующий низкий отпуск. Если деталь не имеет ответственного назначения, то после цементации применяют одну закалку. Нагревают до 880-9000С и охлаждают в масле. Закалка с такой температурой вызывает частичное растворение цементитной сетки. В результате вместо сплошных выделений вторичного цементита по границам образуются отдельные мелкие включения по всему объему металла. Но закалка с такой температурой сохраняет крупнозернистое строение стали. Поэтому вязкость будет пониженная. Отпуск при температуре 160-180º С позволяет уменьшить закалочные напряжения без уменьшения твердости.
Для ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам применяют сложную ТО, которая состоит из трех операций.
Высокотемпературная закалка
860-880º С, которая для крупногабаритных деталей может быть заменена на нормализацию. Эта операция термообработки направлена на устранение цементитной сетки.
2. Закалка 760-780º С (обязательная). Повторная закалка позволяет измельчить зерно в стали и соответственно повысить её вязкость.
3. Низкий отпуск (1-2 часа). Цель – снятие закалочных напряжений. Дополнительная обработка после цементации позволяет перевести перлитную структуру в мартенситную. Это обеспечивает увеличение прочности и твердости поверхности.
Окончательные свойства детали получаются после цементации при термообработке, поверхность будет иметь 700-750 НВ (кг/мм2), (58-62 НRО), середина свои свойства не изменяет: 180-200 НВ, (120-140 НRв).
Азотирование.
Это насыщение поверхности детали азотом.
Азотирование проводят в специальных газовых печах, куда помещают детали, а затем подается диссоциированный аммиак, т.е. проходит распад аммиака. Диссоциация аммиака проходит в специальных автоклапанах в присутствии катализатора. Это нужно для того, чтобы в печь поступали атомы азота.
Температура азотирование 520-550º С, т.е. она не высокая, так как растворимость азота в феррите вполне достаточная. Поэтому азотирование можно проводить после окончаний термообработки, например, после закалки и высокого отпуска. Это позволяет подвергать азотированию уже готовые детали, прошедшие обработку резанием, шлифованием, т.е. не требуется оставлять припуски на окончательную обработку как при цементации.
Низкая температура азотирования не позволяет получить глубокого насыщения поверхностей. Поэтому обычная толщина азотированного слоя 0,3 – 0,5 мм, а продолжительность процесса в 2-3 раза превышает продолжительность цементации.
Для повышения эффекта износостойкости стали подвергаемые азотированию обычно содержат Cr,Al, Mo. Эти элементы, взаимодействуя с азотом, образуют собственные ингредиенты, которые дополнительно повышают твердость и износостойкость поверхности.
38Х2МЮА – нитролоид.
По сравнению с цементацией азотирование имеет преимущество и недостатки.
Преимущества:
1) Проводится после окончательной термообработки, поэтому не требует дополнительных припусков.
2) Более высокая твердость и износостойкость.
3) Более высокая устойчивая прочность деталей.
4) Более высокая коррозионная стойкость.
5) Более высокая рабочая температура 400-450º С.
Недостатки:
1) Более тонкий слой.
2) Более длительный процесс, требующий сложного оборудования, производительность меньше.
Нитроцементация.
Это ХТО, при которой деталь насыщается одновременно углеродом и азотом. Она направлена на получение свойств, включающих достоинства и цементации и азотирования одновременно. Если насыщение С и N происходит из газовой фазы, то этот процесс называется нитроцементацией, если процесс идет из жидкой среды (расплавленных цианистых солей), то этот процесс называют цианированием.
Процесс нитроцементации проходит по температуре, лежащей ниже температуры цементации, но выше температуры азотирования (830-880º С). Чем выше температура, тем энергичнее идет процесс насыщения углеродом и, соответственно, результаты получаются ближе к цементации. Чем ниже температура, тем больше насыщение N и свойства детали ближе к азотированию.
Совместное насыщение N и С позволяет сократить продолжительность процесса, а более низкие температуры не позволяют усваиваться зерну, поэтому сталь сохраняет своё вязкое состояние. Применение нитроцементации более прогрессивно, чем чистая цементация. После нитроцементации деталь подвергают закалке и низкому отпуску, причём закалка обычно проводится сразу после окончания ХТО без дополнительного нагрева.
Сульфатирование
После сульфоазотирования детали легче прирабатываются друг к другу, снижаются потери энергии, затрачиваемой на вращение детали.
Сульфаазотирование чаще проводят из газовой фазы, реже из порошковой засыпки. Глубина насыщенного слоя 0,1-0,2 мм.
Силицирование.
Применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Внедрение Si в поверхность позволяет повысить жаростойкость, т.е. сопротивление поверхности окислению при высоких температурах. После силицирования поверхности образуется окислы кремния, либо двойные окислы Fe Si2 O4 - шпилеты.
Температура процесса 1100-1200º С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют SiH4 – моносилан.
Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al2O3.
FeAl2O4. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.
Борирование.
Применяют для инструмента горячего деформированного металла. При насыщение стальных деталей бором на поверхности образуются бориды: FeB, Ke2B, Fe4B, которые увеличивают твердость и жаростойкость при температуре 800-1000º С, твердость до 700º С не изменяется совсем. Борирование проводится из порошковых засыпок при температурах 1000-1100º С. Глубина слоя после борирования до 80-200 мкм, но стойкость высокая.
Недостаток – хрупкость поверхности. При ударном воздействии возможно образование микротрещин и скалывание повторного слоя.