4. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

    Химико-термическая обработка стали заключается в нагреве изделия до заданной температуры в специально выбранной химически активной среде (например, в древесном угле с добавкой солей, в среде, выделяющей атомный азот, в расплавленных химически активных солях и т. п.). В результате взаимодействия со средой поверхность изделия изменяет свой химический состав.

    Изделия, которые были подвергнуты химико-термической обработке, в зависимости от вида обработки приобретают поверхностную твердость, повышенную сопротивляемость коррозии, жаростойкость, износостойкость, а также способность закаливаться.

    Цементация. Цементацией называется процесс насыщения углеродом на глубину 0,3 — 2,5 мм поверхностного слоя малоуглеродистой стали с содержанием углерода до 0,3% с целью повышения износостойкости и поверхностной твердости после закалки при сохранении вязкой сердцевины.

    Цементации подвергают как углеродистые стали с содержанием углерода не более 0,30%, так и легированные стали с низким процентом содержания углерода.

    Цементация может производиться в различных средах: твердых, жидких и газообразных, которые при температуре 850 — 920° С разлагаются и выделяют активный углерод, проникающий в поверхностный слой металла.

    Наилучшим твердым карбюризатором является такой, в котором содержится углекислого бария 20 — 25%, углекислого кальция 3,5 — 5,0%, летучих веществ 10%, остальное березовый или дубовый уголь.

    В результате химического взаимодействия углекислых солей с углем образуется газ —окись углерода (СО). При последующем разложении окиси углерода выделяется углерод в виде атомов, который проникает в металл.

    Средняя скорость науглероживания слоя равна 0,1 мм в час. Содержание углерода в цементационном слое постепенно уменьшается от поверхности в глубь слоя.

    Газовая цементация — более совершенный способ науглероживания. При газовой цементации углерод получается из газов, содержащих окись углерода и углеводород.

    Для газовой цементации могут применяться естественные газы (саратовский, дашавский и др.), светильный газ, а также газообразные продукты разложения нефтепродуктов.

    Газовая цементация, по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, более экономична, так как общая длительность процесса сокращается.

    Кратковременный процесс цементации не дает возможности расти зерну стали, в результате этого при газовой цементации детали без нормализации, непосредственно из цементационной печи, подвергают закалке. Этот метод цементации имеет широкое распространение в массовом производстве.

    Жидкая цементация применяется для мелких деталей с целью получения небольшого слоя цементации.

    Жидкая цементация производится в ваннах из расплавленных солей, содержащих 75 — 85% NaCO₂; 10 — 15% NaCL; 6 — 10% SiC. Преимуществом жидкой цементации является равномерность нагрева и возможность закалки непосредственно из цементационной ванны.

    Цианирование — процесс одновременного поверхностного насыщения стали углеродом и азотом с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости при сохранении вязкой сердцевины.

    Цианирование может проводиться в жидких и газообразных средах.

    Жидкое цианирование состоит из нагрева деталей в ванне (расплавленных солях), содержащей цианистые соединения. Для цианирования применяют в основном ванны с цианистым натрием.

    Цианирование применяется чаще всего для мелких деталей из стали марок 15, 35 и 40Х, прошедших окончательную механическую обработку.

    Температура цианирования деталей из конструкционных сталей колеблется в пределах 815 — 850° С. Продолжительность цианирования 15 — 45 мин. Глубина слоя 0,1 — 0,3 мм.

    При более высокой температуре процесса в насыщенном слое увеличивается содержание углерода и уменьшается содержание азота. При снижении температуры получается обратный процесс, т. е. уменьшается содержание углерода и увеличивается содержание азота в цианированном слое.

    Иногда цианистая ванна служит средой для нагрева под закалку цементованных деталей при температуре 770 — 780° С. В этом случае цементованная поверхность частично насыщается азотом и стойкость на истирание ее увеличивается.

    Основным преимуществом цианирования является большая скорость процесса, высокая стойкость поверхностного слоя и незначительное коробление деталей.

    Цианированию подвергают шестерни, валики и другие детали.

    Газовое цианирование проводится в смеси газов, состоящей из одной части аммиака и четырех частей цементующего газа. Газовому цианированию подвергаются многие детали машин, изготовленные из стали марок 30Х, 35Х, 40Х и др.

    Температура цианирования 800 — 850° С, выдержка 3 — 4 часа. Глубина цианированного слоя 0,1 — 0,6 мм. Закалку производят сразу же после цианирования.

    Цианирование применяется также для быстрорежущей стали, но при низкой температуре. Сущность этого процесса такова: режущий инструмент из быстрорежущей стали после окончательного изготовления (заточки) подвергают жидкостному или газовому цианированию при 540 — 560° С в течение 20 — 60 мин. с охлаждением, на воздухе. В результате этой операции стойкость инструмента заметно повышается.

    При цианировании быстрорежущей стали производят только два отпуска.

    Азотирование. Сущность азотирования заключается в том, что в специальной герметически закрытой печи в атмосфере распадающегося аммиака при температуре 500 — 650° С детали, изготовленные из специальной стали, содержащей хром и алюминий (марка 38ХМЮА и 35ХЮА), подвергаются азотированию поверхности, т. е. атомный азот дифундирует в верхний слой металла. В результате такого процесса, длящегося 15 — 50 час., получается азотированный слой глубиной 0,25 — 0,65 мм. Твердость этого слоя выше, чем цементованного. Полученная твердость не снижается и при нагреве до 600 — 650° С.

    Перед азотизацией детали полностью механически обрабатывают (до чертежных размеров), так как после азотирования детали подвергают только окончательной шлифовке (доводке) со снятием припуска 0,03 — 0,08 мм.

    Лучшие результаты азотирования получаются, если детали предварительно подвергнуть закалке и высокому отпуску. Азотированный слой хорошо сопротивляется коррозии.

    Азотированию подвергают: гильзы цилиндров двигателей, клапаны, коленчатые валы и др.

    Недостаток азотирования заключается в том, что сам процесс довольно длительный и требует специальной, дорогостоящей стали с содержанием алюминия. Эта сталь благодаря мелкозернистости (хром, а особенно алюминий, препятствуют росту зерна) чрезмерно вязкая. Поэтому закалку и высокий отпуск следует делать перед механической обработкой.