Химико-термическая обработка стали производится для улучшения эксплуатационных качеств готовых изделий. В результате химико-термической обработки повышается коррозионная и кавитационная стойкость, твердость и износостойкость металла. На поверхности металла возникают остаточные напряжения сжатия, что увеличивает долговечность и надежность изделия.
При насыщении поверхностного слоя стали металлами, образуются твердые растворы замещения, азот и углерод образуют твердые растворы внедрения. Диффузия неметаллических элементов протекает с быстрее и требует меньших затрат энергии. Энергоемкость процесса зависит и от строения кристаллической решетки: в решетке альфа-железо диффузия протекает легче, чем в гамма-железо.
Цементация
Цементация легированных и малоуглеродистых сталей производится углеродом и его соединениями в твердом, жидком и газообразном состоянии. Состав, который применяется для насыщения стали углеродом, называют карбюризатором. Цементация твердым карбюризатором протекает при температурах 900-950°С, жидкостная 850-860°С, газовая – 850-900°С. После цементации изделия подвергают закалке и отпуску. В результате цементации и последующей термической обработки повышается устойчивость изделия при кручении и изгибе за счет повышения контактной выносливости поверхности при сохранении пластичности сердцевины. Цементация в твердом или жидком карбюризаторе возможна даже в условиях небольшой домашней мастерской, газовая – только в промышленных условиях
Азотирование
Азотирование стали производится путем длительной выдержки в атмосфере аммиака при температуре 600-650°С. В результате реакции азота с компонентами сплава, образуются нитриды металлов, отличающиеся от карбидов большей твердостью. Азотирование также повышает сопротивляемость коррозии в атмосфере, предел выносливости, износостойкость металла и широко применяется в машиностроении для обработки ответственных деталей. Высокая твердость азотированной стали сохраняется при более высоких температурах (до 500-520°С), в отличие от цементованных. Процесс насыщения азотом протекает при меньшем нагреве, чем цементация и обработанные детали при охлаждении не коробятся.
Нитроцементация и цианирование
Цианирование и нитроцементация стали производятся для одновременного насыщения поверхностного слоя металла углеродом и азотом. Для повышения усталостной прочности, износостойкости и коррозионной устойчивости изделия подвергаются закалке и отпуску. Нитроцементация производится при в газовой среде, состоящей из аммиака и науглероживающего газа, содержащего метан. В зависимости от назначения изделия производится низкотемпературная (при 530-570°С) или высокотемпературная (при 830-950 °С) нитроцементация. Низкотемпературный процесс применяется для обработки инструментов из быстрорежущей стали. Высокотемпературной нитроцементации подвергают детали из низколегированных и углеродистых сталей. Процесс характеризуется невысокой стоимостью и безопасностью в работе.
После окончания процесса нитроцементации производится закалка и отпуск изделия. Закалку преимущественно производят непосредственно из печи, иногда после повторного нагрева и ступенчатая закалка. Для нитроцементованного слоя характерна мелкозернистая мартенситная структура с равномерным распределением карбонитридов и остаточного аустенита (до 30%). Толщина нитроцементованного слоя не должна превышать 1000 мкм и обычно составляет 200…800 мкм. В толстом слое образуются структурные дефекты, ухудшающие свойства металла. Газовая нитроцементация применяется для деталей сложной геометрической формы, склонных к короблению.
Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом и углеродом может производиться и путем жидкостного цианирования. Этот процесс производится в расплавах цианистых солей при температуре 820…950°С. Солевые смеси кроме цианида, содержат карбонаты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов с добавкой гидроксида или без него. По содержанию цианистого натрия цианирующие составы подразделяют на низкопроцентные (до 25 % NaCN), среднепроцентные(до 50% NaCN) и высокопроцентные (90% NaCN ). Содержание углерода и азота и глубина цианированного слоя зависят от температурного режима и продолжительности цианирования. При высокотемпературном жидкостном цианировании ( 820…950º С) в сталь преимущественно диффундирует углерод до 0,6…1,2%. Содержание азота в поверхностном слое доводится до 0,2…0,6% при толщине слоя 0,15…2,0 мм. После закалки и отпуска цианированный слой приобретает окончательную структуру из тонкой пленки карбонитридов железа и азотистого мартенсита. В результате цианирования значительно повышается износостойкость, коррозионная стойкость и усталостная прочность металла.
Для процесса низкотемпературного цианирования (520…600ºС) характерно преобладание диффузии азота. Продолжительность выдержки изделий в зависимости от требуемой толщины слоя устанавливается в пределах 0,5…2 часа.
Среди преимуществ процесса комплексного насыщения стали азотом и углеродом по сравнению с цементацией:
- меньшие затраты времени и энергии;
- меньший процент брака по причине деформации изделий;
- сочетание качеств, присущих цементованным и азотированным изделиям.
Применение цианирования ограничивается высокой стоимостью процесса. Данный вид химико-термической обработки отличается повышенной опасностью и требует дополнительных мер охраны труда в связи с высокой токсичностью цианидов.
Борирование
Исключительно высокой твердостью отличается поверхностный слой, насыщенный бором. Борирование стали производится при температурах 900…950ºС. При этом в слое толщиной 0,05…0,15 мм образуются бориды железа FeB и Fе2В. Борированнный слой характеризуется повышенной устойчивостью к абразивному изнашиванию и высокой устойчивостью к коррозии. Борированию подвергают детали пресс-форм, нефтяных грязевых насосов, машин для литья под давлением и других деталей для штамповочного и бурового оборудования. При очень высокой твердости, борированный слой характеризуется хрупкостью.
Силицирование
Силицированный слой стали отличается выраженной пористой структурой и низкой твердостью. При этом силицированные изделия после пропитки маслом при температуре 170…200ºС приобретают высокую износоустойчивость. Толщина силицированнаого слоя варьирует в пределах 300…1000 мкм. Для силицированных деталей характерна кислотоупорность и устойчивость к морской коррозии. Кремнием насыщают детали, предназначенные для работы в агрессивных средах в химической, нефтяной и целлюлозно-бумажной промышленности.
При насыщении поверхностного слоя стали металлами, образуются твердые растворы замещения, азот и углерод образуют твердые растворы внедрения. Диффузия неметаллических элементов протекает с быстрее и требует меньших затрат энергии. Энергоемкость процесса зависит и от строения кристаллической решетки: в решетке альфа-железо диффузия протекает легче, чем в гамма-железо.
Цементация
Цементация легированных и малоуглеродистых сталей производится углеродом и его соединениями в твердом, жидком и газообразном состоянии. Состав, который применяется для насыщения стали углеродом, называют карбюризатором. Цементация твердым карбюризатором протекает при температурах 900-950°С, жидкостная 850-860°С, газовая – 850-900°С. После цементации изделия подвергают закалке и отпуску. В результате цементации и последующей термической обработки повышается устойчивость изделия при кручении и изгибе за счет повышения контактной выносливости поверхности при сохранении пластичности сердцевины. Цементация в твердом или жидком карбюризаторе возможна даже в условиях небольшой домашней мастерской, газовая – только в промышленных условиях
Азотирование
Азотирование стали производится путем длительной выдержки в атмосфере аммиака при температуре 600-650°С. В результате реакции азота с компонентами сплава, образуются нитриды металлов, отличающиеся от карбидов большей твердостью. Азотирование также повышает сопротивляемость коррозии в атмосфере, предел выносливости, износостойкость металла и широко применяется в машиностроении для обработки ответственных деталей. Высокая твердость азотированной стали сохраняется при более высоких температурах (до 500-520°С), в отличие от цементованных. Процесс насыщения азотом протекает при меньшем нагреве, чем цементация и обработанные детали при охлаждении не коробятся.
Нитроцементация и цианирование
Цианирование и нитроцементация стали производятся для одновременного насыщения поверхностного слоя металла углеродом и азотом. Для повышения усталостной прочности, износостойкости и коррозионной устойчивости изделия подвергаются закалке и отпуску. Нитроцементация производится при в газовой среде, состоящей из аммиака и науглероживающего газа, содержащего метан. В зависимости от назначения изделия производится низкотемпературная (при 530-570°С) или высокотемпературная (при 830-950 °С) нитроцементация. Низкотемпературный процесс применяется для обработки инструментов из быстрорежущей стали. Высокотемпературной нитроцементации подвергают детали из низколегированных и углеродистых сталей. Процесс характеризуется невысокой стоимостью и безопасностью в работе.
После окончания процесса нитроцементации производится закалка и отпуск изделия. Закалку преимущественно производят непосредственно из печи, иногда после повторного нагрева и ступенчатая закалка. Для нитроцементованного слоя характерна мелкозернистая мартенситная структура с равномерным распределением карбонитридов и остаточного аустенита (до 30%). Толщина нитроцементованного слоя не должна превышать 1000 мкм и обычно составляет 200…800 мкм. В толстом слое образуются структурные дефекты, ухудшающие свойства металла. Газовая нитроцементация применяется для деталей сложной геометрической формы, склонных к короблению.
Диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом и углеродом может производиться и путем жидкостного цианирования. Этот процесс производится в расплавах цианистых солей при температуре 820…950°С. Солевые смеси кроме цианида, содержат карбонаты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов с добавкой гидроксида или без него. По содержанию цианистого натрия цианирующие составы подразделяют на низкопроцентные (до 25 % NaCN), среднепроцентные(до 50% NaCN) и высокопроцентные (90% NaCN ). Содержание углерода и азота и глубина цианированного слоя зависят от температурного режима и продолжительности цианирования. При высокотемпературном жидкостном цианировании ( 820…950º С) в сталь преимущественно диффундирует углерод до 0,6…1,2%. Содержание азота в поверхностном слое доводится до 0,2…0,6% при толщине слоя 0,15…2,0 мм. После закалки и отпуска цианированный слой приобретает окончательную структуру из тонкой пленки карбонитридов железа и азотистого мартенсита. В результате цианирования значительно повышается износостойкость, коррозионная стойкость и усталостная прочность металла.
Для процесса низкотемпературного цианирования (520…600ºС) характерно преобладание диффузии азота. Продолжительность выдержки изделий в зависимости от требуемой толщины слоя устанавливается в пределах 0,5…2 часа.
Среди преимуществ процесса комплексного насыщения стали азотом и углеродом по сравнению с цементацией:
- меньшие затраты времени и энергии;
- меньший процент брака по причине деформации изделий;
- сочетание качеств, присущих цементованным и азотированным изделиям.
Применение цианирования ограничивается высокой стоимостью процесса. Данный вид химико-термической обработки отличается повышенной опасностью и требует дополнительных мер охраны труда в связи с высокой токсичностью цианидов.
Борирование
Исключительно высокой твердостью отличается поверхностный слой, насыщенный бором. Борирование стали производится при температурах 900…950ºС. При этом в слое толщиной 0,05…0,15 мм образуются бориды железа FeB и Fе2В. Борированнный слой характеризуется повышенной устойчивостью к абразивному изнашиванию и высокой устойчивостью к коррозии. Борированию подвергают детали пресс-форм, нефтяных грязевых насосов, машин для литья под давлением и других деталей для штамповочного и бурового оборудования. При очень высокой твердости, борированный слой характеризуется хрупкостью.
Силицирование
Силицированный слой стали отличается выраженной пористой структурой и низкой твердостью. При этом силицированные изделия после пропитки маслом при температуре 170…200ºС приобретают высокую износоустойчивость. Толщина силицированнаого слоя варьирует в пределах 300…1000 мкм. Для силицированных деталей характерна кислотоупорность и устойчивость к морской коррозии. Кремнием насыщают детали, предназначенные для работы в агрессивных средах в химической, нефтяной и целлюлозно-бумажной промышленности.
