Организационно-правовые формы автотранспортных предприятий

Химико-термическая обработка (ХТО) сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами (С, N, Si, В и др.) или металлами (Cr, A1 и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

При ХТО одновременно протекают  несколько процессов:

1) образование в окружающей  среде диффундирующего элемента  в атомарном (ионизированном) состоянии; насыщающая атмосфера должна обеспечивать высокую концентрацию диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемого металла (изделия)  Количество атомов, поступающих из насыщающей среды в металл, в основном определяется скоростью химических реакций (или испарения), связанной с выделением насыщающего вещества;

2) адсорбция атомов (ионов) на  поверхность металла с образованием  химических связей между ионами насыщающего элемента и основного металла (хемосорбция);

3) диффузия адсорбированных  атомов от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия).

В результате диффузии образуется диффузионный слой, под которым понимают слой, отличающейся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Концентрация диффундирующего  элемента уменьшается от поверхности в глубь металла. Как следствие этого изменяется структура и свойства.

Толщина диффузионного  слоя зависит от температуры насыщения,  продолжительности процесса, характера образующегося твердого раствора, и концентрации диффундирующего элемента на поверхности. Чем выше концентрация диффундирующего , элемента на поверхности, тем больше толщина слоя при данной температуре и продолжительности процесса насыщения. Скорость диффузии атомов насыщающего элемента, образующего с обрабатываемым металлом твердые растворы внедрения, значительно, выше, чем при образовании твердого раствора замещения.

Химико-термическую обработку  широко применяют для упрочнения деталей машин. Это объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях изнашивания, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. Химико-термическая обработка, повышая твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

 

Рис.10.1. Схема влияния  температуры (а) и продолжительности  процесса при данной температуре (б) на толщину диффузионного слоя: 1 - элементы, образующие твердые растворы внедрения (С, N и др.); 2 - элементы, образующие  твердые растворы замещения (Сr, Al, S1 а ДР.)

 

 

10.1. Цементация

 

Цементацией называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде - карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки A₃ (930-950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают  в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1- 0,18 % С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

На цементацию детали поступают после механической обработки  с припуском на шлифование (50-100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди.

Механизм образования  и строение цементованного слоя. Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (СО; СН и др.). Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

Цементованный слой имеет  переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита; эвтектоидную, состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону, состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

За эффективную толщину  цементованного слоя часто принимают сумму заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (до содержания 0,45 % С), что соответствует 50 HRC. Для многих изделий эффективная толщина слоя принимается после закалки до HV500 или HV700 для ответственных деталей.

Цементация  твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5-10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы углекислый барий (ВаСОз) и кальцинированную соду (NagCOg).

Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки  укладывают в ящики: сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20-30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между ними и до боковых стенок ящика 10-15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 10-15 мм, на него укладывают другой ряд деталей и т. д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35-40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь.

Нагрев до температуры  цементации (910-930 °С) составляет 7-9 мин  на каждый сантиметр минимального размера  ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5-6,5 ч для слоя толщиной 700-900 мкм и 9-11 ч для слоя толщиной 1200-1500 мкм. При большем размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 700-900 мкм продолжительность выдержки равна 7,5-8,5 ч, а при толщине 1200- 1500 мкм- 11-14 ч.

После цементации ящики  охлаждают на воздухе до 400-500 °С и затем раскрывают.

Цементация стали осуществляется атомарным углеродом. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементационном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению 2СО – СО₂ + С_ат.

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при  использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана - СН₄.

Процесс ведут при температуре 910-930 °С 6-12 ч (толщина слоя 1000-1700 мкм).

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных печах. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин, синтин, спирты и т. д.). Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием цементующего газа.

В крупносерийном и массовом производствах газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия. В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован и автоматизирован.

Скорость газовой цементации при температуре 930-950 °С составляет 0,12-0,15 мм/ч при толщине слоя до 1500-1700 мкм.

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей. Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно  мелкозернистых сталей, применяют закалку от 820-850 °С.

Это обеспечивает измельчение  зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из печи после подстуживания изделий до 840-860 °С для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в том случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле (160-180°С).

После цементации термическая  обработка иногда сострит из двойной  закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880-900 °С (выше точки Ас₃ сердцевины) назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустенйте растворяется цементитная сетка, которая уже вновь при быстром охлаждении не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом до 760-780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

В результате термообработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита.

Заключительной операцией  термической обработки цементованных  деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160-180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Структура сердцевины изделия  из углеродистой стали состоит из сорбита, а легированных сталей - из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита.

 

10.2. Азотирование

 

Азотированном называют процесс диффузионного  насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450-500 °С), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225 °С.

Азотирование ведут  в аммиаке NH₄.

Твердость азотированного слоя на железе невелика ~300-350 HV. Поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, легированные Cr, Mo, V, A1, которые приобретают высокую твердость и износостойкость при азотировании.

Если главными требованиями, предъявляемыми к азотированному слою, являются высокие твердость на поверхности  и износостойкость, то применяют  сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35- 0,42 % С; 1,35-1,65 % Cr; 0,7-1,10 % A1 и 0,15-0,25 % Mo, остальное Fe. Одновременное присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя на поверхности до 1200 HV. Молибден, кроме того. устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Износостойкость азотированной  стали выше, чем износостойкость  цементованной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600-800 МПа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастет на 30-40 %, а при наличии концентраторов напряжений (острых надрезов) - более чем на 100 %.

Технология  процесса азотирования. Технологический процесс предусматривает несколько операций, приведенных ниже.

1. Предварительная термическая  обработка заготовки.

2. Механическая обработка  деталей, а также шлифование, которое  придает окончательные размеры детали.