Азотирование.

1. Целью химико-термической обработки является получение по­верхностного слоя стальных изделий, обладающего повышенными твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозион­ной стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздей­ствию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств эле­менты: углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др.

Эти элементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда они выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего про­исходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизированный атом элемента проникает в решетку кри­сталлов стали и образует твердый раствор или химическое соеди­нение. Наиболее распространенными видами химико-термичес­кой обработки стали являются цементация, азотирование, циани­рование.

Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки, который после закалки стано­вится твердым; в сердцевине заготовка остается вязкой. Цемен­тации подвергают такие изделия, которые работают одновремен­но на истирание и удар.

Существуют два вида цементации: цементация твердым кар­бюризатором и газовая цементация.

2. При цементации твердым карбюризато­ром применяют древесный уголь в смеси с углекислыми соля­ми – карбонатами (BaCО₃, Na₂CО₃, K₂CО₃, СаСО₃ и др.).

Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легиро­ванной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют ста­ли, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечива­ет высокую вязкость сердцевины после цементации.

Для цементации заготовки помещают в стальные цементаци­онные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5…10 ч при температуре 930…950°С.

 

При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается по реакции:

ВаСО₃ + С → ВаО + 2CO.

В результате образуется монооксид углерода, который на по­верхности стальных заготовок диссоциирует с выделением актив­ного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффун­дирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышает­ся его массовое содержание в аустените, далее по достижении предела растворимости образуется цементит:

3Fe + С → Fe₃C.

Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от кар­бюризатора нанесением на них обмазок или омедняют электро­литическим способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5…3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95…1,1 % С.

3. При газовой цементации в качестве карбюризатора применяют различные газы и газовые смеси (природный, светиль­ный, генераторный газы и др.). В их состав кроме монооксида углерода входят углеводороды, из которых особое значение имеет метан СН₄. Газовую цементацию выполняют в герметически за­крытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного дей­ствия при температуре 900…950°С и непрерывном потоке цемен­тирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводо­роды (керосин, синтин), которые каплями подаются в печь и, ис­паряясь, образуют газы-карбюризаторы.

Преимуществом газовой цементации перед цементацией твер­дым карбюризатором являются двух…трехкратное ускорение про­цесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процессом. Газовая цементация применяется очень широко.

4. Цементированные заготовки подвергают однократной или двой­ной закалке и низкому отпуску. Однократную закалку с нагре­вом до 820…850°С применяют в большинстве случаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжитель­ная выдержка в горячей печи при цементации не сопровождает­ся большим ростом зерен аустенита. Такая закалка обеспечива­ет частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердце­вины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации час­то производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840…860 °С.

Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую ударную вязкость и твердость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят: 1) за­калку или нормализацию с нагревом до температуры 880…900°С для исправления структуры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; 2) за­калку с нагревом до температуры 760…780°С для измельче­ния структуры цементированного слоя и придания ему высокой твердости (до 60…64 HRC для углеродистой стали). Зака­ленные заготовки подвергают низкому отпуску (150…170°С).

Углеродистая сталь имеет очень большую критическую ско­рость закалки, и сердцевина заготовок из такой стали независимо от скорости охлаждения имеет структуру перлит + феррит. По­этому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую мень­шую критическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

5. Азотирование.Цель азотирования – придание поверхностно­му слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррози­онной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака:

2NH₃ → 2N + 3Н₂.

Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, ти­тан, вольфрам, ванадий, молибден или хром (например, сталь ма­рок 35ХМЮА, 35ХЮА и др.).

Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высоко­му отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500…600°С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации ам­миака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечис­ленными легирующими элементами и железом образует очень твердые химические соединения – нитриды (A1N, MoN, Fe₃N и др.).

Азотирование на глубину 0,2…0,5 мм продолжается 25…60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравни­тельно низкая, а твердость более высокая (1100…1200 по Виккерсу, вместо 800…900 после цементации и закалки); у азотирован­ных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и меньшая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для деталей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).

Азотирование приводит к некоторому увеличению размеров заготовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.