Строительные материалы и изделия

Химико-термическая обработка стали

При химико-термической обработке происходит изменение не только структуры, но и химического состава сплава.

Химико-термическая обработка заключается в насыщении по­верхностных слоев стали различными элементами: углеродом (це­ментация), азотом (азотирование), углеродом и азотом одновре­менно (цианирование), бором (борирование) и др. При этом свой­ства поверхностного слоя становятся отличными от свойств серд­цевины детали, что позволяет сочетать несовместимые обычно высокие значения твердости и ударной вязкости. Высокую твер­дость придают поверхностному слою, что обеспечивает износо­стойкость деталей, а сердцевинную часть делают ударопрочной, способной воспринимать динамические нагрузки.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1... 0,2 % углерода. Их насыщают углеродом до его концентрации в поверхностном слое 0,8... 1,0 % С и затем подвергают закалке, в результате которой цементованный слой толщиной 0,5...2,5 мм приобретает структуру мартенсита и высокую твердость. Сердце - вина изделия, содержащая слишком мало углерода, не закалива­ется и остается ударно-вязкой и пластичной.

Науглероживание производят в твердой или газовой среде, называемой карбюризатором.

При твердой цементации детали укладывают в стальные ящи­ки, пересыпая их карбюризатором — древесным углем или кок­сом (слоем толщиной 3... 10 мм) с активизаторами BaC03, Na2C03 в количестве 10...40%. Ящики закрывают крышками, герметизи­руют огнеупорной глиной и ставят в печь. При температуре 930...950°С — выше линии GS (см. рис. 6.6) — образующиеся ак­тивные атомы углерода диффундируют в решетку у-железа.

При газовой цементации стальные детали нагревают в газовых смесях, содержащих метан, пропан, бутан и др.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя ста­ли азотом. Процесс азотирования заключается в выдержке дета­лей в течение длительного времени (до 60 ч) в атмосфере аммиа­ка при температуре 500...600°С. Аммиак при нагреве разлагается на азот и водород. Активные атомы азота проникают в решетку а - железа, образуя нитриды железа. Высокую твердость азотирован­ному слою придают нитриды легирующих элементов: хрома, мо­либдена, алюминия. Поэтому азотированию обычно подвергают легированные стали.

По сравнению с цементацией азотирование стали дает более высокие твердость и износостойкость поверхностного слоя, высо­кие коррозионные свойства и усталостную прочность. После азо­тирования не требуется закалки, что позволяет избежать со­путствующих ей дефектов.

Цианирование — процесс совместного насыщения поверхности стали азотом и углеродом. При цианировании нагрев изделий осуще­ствляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистый на­трий (NaCN), либо в газовой смеси метана (СН4) и аммиака (NH3).

При низкотемпературном цианировании (500...600°С) поверх­ностный слой насыщается преимущественно азотом на глубину 0,01 ...0,04 мм. После низкотемпературного цианирования отпуск не проводят.

Высокотемпературное цианирование (850... 950 °С) применяют для получения глубины обработанного слоя 0,6... 1,8 мм. Процесс зани­мает от 3 до 10 ч, после чего детали подвергают закалке и низкому отпуску. По сравнению с цементованным цианированный слой име­ет более высокие твердость и износостойкость, а также более высо­кое сопротивление коррозии. Недостатком цианирования является высокая стоимость процесса, связанная с применением мер безо­пасности в связи с высокой токсичностью цианистых солей.

Борирование придает поверхностному слою очень высокие твер­дость, износостойкость и устойчивость к коррозии в различных средах. Насыщение бором часто проводят при электролизе рас­плавленной буры (Na2B407); при этом стальная деталь служит ка­тодом. Борирование также производят в расплавленных солях или газовых средах, содержащих соединения бора. Диффузионный слой состоит из боридов железа и имеет толщину 0,1 ...0,2 мм.

Термомеханическая обработка (ТМО) металлов заключается в сочетании пластической деформации стали в состоянии аустени­та с закалкой. Наиболее распространен высокотемпературный спо­соб, при котором сталь деформируют на 20... 30 % при температу­ре устойчивого аустенита, после чего следуют немедленная за­калка и низкотемпературный отпуск. Такая комбинированная об­работка позволяет получать очень высокую прочность стали при хорошей пластичности и вязкости.