8. Термическая и химико-термическая обработка стали

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

К термической обработке стали относят: закалку, отпуск, отжиг, нормализацию, химико-термическую обработку (цементацию, азотирование, хромирование), обработку холодом.

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Закалка стали заключается в нагреве ее до температуры образования аустенита, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30-50 С выше линии GSК (рис. 17). В зависимости от скорости охлаждения сталь получают в состоянии мартенсита, троостита или сорбита закалки.

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ά-железо.

Сорбит и троостит представляют собой механическую смесь феррита и цементита. Эти структуры различаются только степенью дисперсности карбидной составляющей.

Рис. 17. Оптимальный интервал закалочных температур для углеродистых сталей

Минимальную скорость охлаждения, при которой весь аустенит сохраняется до температуры начала мартенситовых превращений и, следовательно, сталь получает структуру мартенсита, называют критической скоростью закалки. Эта скорость тем выше, чем меньше в стали углерода. Стали, с содержанием углерода менее 0,2%, практически не воспринимают закалку. При охлаждении со скоростью меньше критической успевают пройти диффузионные процессы, и сталь получается в состоянии троостита или сорбита закалки.

Закалке подвергают готовые изделия с целью повышения твердости и прочности, для чего их нагревают до соответствующих температур и затем охлаждают погружением в жидкую среду. При закалке обычной углеродистой стали в слабых водных растворах-электролитах или в холодной воде сталь получает структуру мартенсита; при закалке в горячей воде или минеральном масле – структуру троостита и в расплавленном свинце – структуру сорбита.

Отпуск – вид термической обработки, применяемый к закаленным сплавам и заключающийся в нагревании изделий ниже температуры фазовых превращений, выдержке и охлаждении. Отпуск снижает закалочные напряжения, повышает пластичность и вязкость закаленной стали. Низкому отпуску (150-200 С) подвергают закаленные инструменты, среднему отпуску (300-500 С) – пружины, рессоры, штампы и высокому (550-700 С) – зубчатые колеса, валы, шатуны и другие детали машин.

Отжиг – вид термической обработки, при котором сталь нагревают до температуры 760-900 С, выдерживают при этой температуре для получения однородного аустенита и медленно охлаждают для превращения его в перлит. В результате отжига в доэвтектоидной стали (содержащей < 0,8% С) получается структура перлит и феррит, в заэвтектоидной стали (содержащей >0,8% С) – перлит и цементит. Сталь приобретает минимальные твердость и внутренние напряжения, а пластичность и вязкость – максимальные.

Нормализация – это разновидность отжига. Нагрев стали производят на 30-50 С выше, чем при отжиге. Главное отличие нормализации состоит в том, что охлаждение с температур нормализации до комнатной производится на воздухе с большей скоростью охлаждения. Получаемые после нормализации структуры стали отличаются после отжига большей мелкозернистостью, твердостью и прочностью.

Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев стальных деталей, заключающийся в насыщении поверхности обрабатываемых изделий углеродом, азотом и другими элементами. Основными видами химико-термической обработки являются цементация (науглероживание), азотирование, цианирование (совместное насыщение углеродом и азотом) и диффузная металлизация (насыщение поверхности алюминием, кремнием и т.д.).

Цементацией называют процесс насыщения углеродом поверхности изделий из малоуглеродистых сталей (<0,25% С).

Степень цементации – это среднее содержание углерода в поверхностном слое (не более 1,2% С).

Как правило после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу, имеет повышенную твердость поверхностного слоя при сохранении мягкой и вязкой сердцевины детали.

Исходную среду для цементации называют карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20-25% ВаСО для интенсификации процесса и 3-5% СаСО для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковывают в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910-930 С в течение 5-6 ч. При газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ (состоящий почти полностью из метана), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол).

Азотированием называют процесс диффузного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, шестерни, червяки и т.д.). До азотирования детали подвергают закалке, высокому отжигу и чистовой обработке. Азотирование проводят при температуре 500-600 С в муфелях или контейнерах, через которые пропускают диссоциирующий аммиак.

Цианирование (нитроцементация) – химико-термичес-кая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом. Цианированный слой обладает высокой твердостью, сопротивлением износу, повышаются также усталостная прочность и коррозионная стойкость. Совместная диффузия углерода и азота происходит быстрее, чем каждого из этих элементов в отдельности, поэтому продолжительность цианирования обычно 0,5-2 ч. Цианирование бывает высокотемпературным (при 800-950 С) и низкотемпературным (при 540-560 С). При высокотемпературном цианировании поверхность насыщается больше углеродом, чем азотом, т.е. этот процесс приближается к цементации. После такого цианирования изделия подвергают закалке с низким отпуском. Низкотемпературному цианированию подвергают детали, уже прошедшие термическую обработку, как и при азотировании. Цианирование проводят в жидкой или газовой (нитроцементация) средах.

Диффузной металлизацией называется химико-терми-ческая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается различными элементами: алюминием, кремнием, хромом, бором и т.д.

Алитирование насыщение поверхности изделий алюминием. Осуществляется для деталей из стали с содержанием 0,1-0,2% углерода для повышения окалиностойкости. Алитирование проводят в порошкообразных смесях и в газовых средах. Алитированные детали приобретают высокую жаростойкость и могут работать при температуре до 1150 С.

Силицирование – насыщение поверхности деталей кремнием. Используют в основном газовое силицирование при температуре 950-1050 С. Силицирование повышает жаростойкость, сопротивляемость истиранию и коррозионную стойкость в морской воде и некоторых кислотах.

Хромирование – диффузное насыщение поверхности изделий хромом. Хромированию подвергают детали, изготовленные из сталей с самым различным содержанием углерода. При хромировании средне- и высокоуглеродистых сталей получается очень высокая поверхностная твердость, повышается износостойкость, окалиностойкость и коррозионная стойкость. При хромировании изделий из малоуглеродистых сталей (до 0,25% С) твердость повышается незначительно, но приобретается хорошая коррозионная стойкость. Хромирование осуществляется при температурах 950-1100 С.

В таблице 3 приведены составы порошкообразных смесей для алитирования, силицирования и хромирования.

Таблица 3. Составы порошкообразных смесей для алитирования, силицирования и хромирования

Процесс химико-термической обработки	Состав смеси, %
Алитирование	49-49,5 Al; 49-49,5 Al O ; 1-2 NH Cl 99,5 FeAl; 0,5 NH Cl
Хромирование	50 FeCr; 43 Al O ; 7 NH Cl 60 FeCr; 38,8 каолина; 1,2 NH Cl
Силицирование	40 Si; 59 Al O ; 1 NH Cl 75 FeSi; 20 шамот; 5 NH Cl