Химико-термическая обработка (ХТО) — совокупность процессов диффузионного насыщения поверхностного слоя одним или несколькими химическими элементами в сочетании с предварительной или последующей термической обработкой.
При ХТО формируется одно- или многокомпонентный диффузионный слой, обладающий комплексом высоких механических и физико-химических свойств. ХТО включает большое число способов (рис.1).
Диффузионное насыщение неметаллами (С, N, В) используют для упрочнения поверхности деталей машин и инструментов. Насыщение поверхности металлами (Сг, А1, Zn,Ti, Be и др.) или Si и В с металлами применяют для получения защитных покрытий, стойких к коррозии и коррозионно-механическому изнашиванию при нормальных и высоких температурах. Ниже рассмотрены основные способы упрочняющей ХТО.
Цементация — процесс диффузионного насыщения поверхности углеродом. После цементации проводят закалку и низкий отпуск.
Толщина науглероженного слоя 0,5...2,0 мм.
Цементации подвергают низкоуглеродистые стали (табл. 1), которые слабо упрочняются при закалке. В результате детали приобретают твердую (58...63 HRC) поверхность и вязкую (28...43 HRC) сердцевину, устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации — большие деформация и коробление деталей, которые устраняются шлифованием.
Рис. 1 Виды ХТО.
Цементации отдают предпочтение при производстве наиболее нагруженных деталей машин - зубчатых колес, валов-шестерен, крупногабаритных колец подшипников, шарниров синхронного хода и других.
Предел выносливости при изгибе деталей повышается на 20—30 % (при наличии концентраторов напряжений — на 80... 100 %) и может достигать 1000 МПа, предел контактной выносливости — на 60...100% (до 2800 МПа), износостойкость — в 3—10 раз, сопротивление фретгинг-коррозии — в 2—5 раз.
Табл. 1 Цементация сталей.
Эксплуатационные свойства цементованных деталей зависят от структуры и свойств сердцевины и в более значительной степени — от насыщенности углеродом диффузионного слоя, его фазового состава и структуры.
Они растут по мере увеличения прочности и твердости сердцевины, достигая максимума при 1200 МПа и 43 HRC.
Цементованный слой характеризуют: концентрация углерода на поверхности Q, %; эффективная толщина hэф, мм; градиент концентрации углерода.
Концентрация углерода в цементованном слое определяет уровень и распределение твердости. Часть цементованного слоя, имеющая С > 0,4 %, и твердость HRC > 50, принимают за эффективную его толщину hэф. Максимальная циклическая прочность (вьшосливость при изгибе) достигается при концентрации углерода на поверхности (-0,8%) и толщине слоя hэф = 0,5...0,7 мм.
Высокая износостойкость и контактная выносливость достигаются при повышенной насыщенности цементованного слоя и структуре, содержащей избьггочную карбидную фазу.
Корггактная выносливость растет по мере увеличения эффективной толщины цементованного слоя и снижения градиента концентрации а до 5... 10 %. Качество слоя резко снижается при укрупнении зерна, образовании сетки цементита, большого количества остаточного аустени- та, окислении легирующих элементов и образовании трооститной сетки из-за недостаточной прокаливаемости цементованного слоя. Обеспечение требуемых характеристик цементованного слоя достигается путем управления процессом науглероживания, который описывается уравнением массоперено- са углерода Левая часть равенства характеризует удельный поток углерода из газовой среды к насыщаемой поверхности металла (внешний массоперенос).
Он пропорционален разности концентрации (активности) в газовой среде (QTM) И на поверхности (?) и коэффициенту массопереноса (скорости перехода) углерода р, зависящему от состава газовой среды, ее давления, скорости циркуляции.
Применяют два типа технологических атмосфер: 1) атмосферы с контролируемым углеродным потенциалом; 2) атмосферы с контролируемым расходом технологических газов.
В атмосферах 1-го типа требуемая концентрация углерода в слое задается ее углеродным потенциалом, который в конце процесса, как правило, составляет 0,8%. Атмосферы 2-го типа обладают более высокой науглероживающей способностью, достаточной для образования на поверхности стали избыточных карбидов.
Процесс насыщения регулируют в кинетическом режиме, останавливая его после достижения заданной концентрации углерода.
Контролируемые атмосферы по химическому составу подразделяют на три вида: эндотермическая (20% СО; 40% Н2; СН4+СО2 + + Н2О до 3%, остальное — N2); экзоэндотермическая (20% СО; 20% Н2; СН4 + + СО2+ Н2О до 1,5%, остальное — N2); синтетическая на основе азота.
Первые две атмосферы получают в специальных генераторах путем неполного сжигания природного газа. Синтетическую ("безгенераторную") атмосферу создают непосредственно в рабочем пространстве печи путем подачи нескольких компонент: например, азота, метанола и углекислого газа или воздуха и метана, или азота, водорода и метана.
Углеродный потенциал эндоатмосферы составляет 0,5...0,7%. Для его увеличения к эндоатмосфере (к газу-носителю) добавляют до 5% СН4. Расход атмосферы достигает 6 м3/ч на 1 м3 объема печи.
Технологические варианты науглероживания зависят от типа производства. В условиях массового и крупносерийного производства применяют газовую цементацию, которую проводят в автоматизированных безмуфельных печах непрерывного действия большой (700 кг/ч) производительности или камерных печах типа СНЦА меньшей производительности. Используют контролируемые атмосферы 1-го типа с автоматическим регулированием углеродного потенциала.
Основной тип обрабатываемых деталей — зубчатые колеса из низколегированных сталей. Типовой режим их упрочнения включает цементацию при температуре 930°С, под- стуживание до 850°С, ступенчатую закалку в горячем масле и отпуск при 180°С. Применяют также двухстадийный режим цементации. В первой зоне печи поддерживают высокий (1,1...1,3%) углеродный потенциал, во второй зоне его снижают до 0,8%. Концентрационные кривые углерода приобретают характерную горизонтальную площадку В условиях серийного производства используют универсальное быстро переналаживаемое оборудование.
Широкое применение получила цементация в шахтных печах типа Ц (с подачей жидких углеводородов) и СШЦМ из-за простоты конструкции печей, их компактности, возможности комплектования садки из деталей различной формы и размеров. Контролируемые атмосферы используют в универсальных печах типа СНЦА, снабженных герметизированным тамбуром и закалочным баком. Однако применение контролируемых атмосфер ограничено.
Обеспечение высоких концентраций углерода на поверхности возможно при больших (12% и более) добавках метана к эндогазу, что выше равновесного значения и приводит к вьщеление сажи.
Использование эндоатмосферы ограничивается также ее взрывоопасностью, токсичностью, развитием внутреннего окисления, наводо- роживанием, большой длительностью обработки.
Цементация в "безгенераторных" атмосферах кроме преимуществ, связанных с отсутствием специальных газовых генераторов, отличается сокращением на 20 % длительности науглероживания и снижением на 30% расхода насыщающих газов. В мелкосерийном производстве применяют цементацию в кипящем слое и из паст.
Интенсификация процесса и повышение качества упрочнения деталей обеспечивается высокотемпературной вакуумной цементацией и ионной цементацией.
Высокотемпературная вакуумная цементация (ВВЦ) осуществляется в специальных установках при температуре 1000... 1100 °С в среде метана с двухступенчатым режимом его подачи. На первой стадии парциальное давление метана составляет 150...400 гПа; поверхность детали интенсивно насыщается углеродом до образования карбидов и вьще- ления сажи (углеродный потенциал достигает 100%). На второй стадии метан удаляют из камеры, что стимулирует диффузионное рассасывание углерода в слое. Время процесса существенно сокращается.
Недостатком ВВЦ являются неравномерность науглероживания деталей сложной формы из-за образования застойных зон и неравномерного выпадения сажи, укрупнение зерна и снижение механических свойств слоя и сердцевины.
Ионная цементация (ИЦ) отвечает требованиям гибкой, интенсивной и энергосберегающей технологии. Сущность ее состоит в том, что детали помещают на катод в газоразрядную камеру, через которую при небольшом расходе (до 0,1 м^/ч) и пониженном давлении (1,3...26 гПа) прокачивают углеродсодержащую газовую смесь (СН4+АГ+Н2).
Между катодом и анодом от специального источника электропитания прикладывают постоянное или пульсирующее напряжение (400...800 В), которое возбуждает тлеющий разряд, ионизирующий газовую среду. Положительные ионы, разгоняясь в прикатодной области, бомбардируют поверхность деталей, очищают ее (за счет катодного распыления) от оксидов и возможных загрязнений и поставляют насыщаемый элемент. Тлеющий разряд в 3—5 раз ускоряет внешний массоперенос [р достигает (350...400) • 10х2 см/с], формирует высокий углеродным потенциал у поверхности и, как следствие, высокий градиент концентрации углерода в приповерхностных слоях.
В результате ускоряется и диффузионный массоперенос; время насыщения при температуре процесса 920...950 °С для получения слоев толщиной 1,0...1,5 мм сокращается до 2—3 ч.
Дополнительные преимущества: 1) высокая равномерность науглероживания и, как следствие, уменьшение деформации деталей; 2) гибкость управления составом газовой среды и электрическими параметрами процесса; 3) отсутствие внешнего и внутреннего окисления; 4) возможность замены специальных покрытий, в том числе медных, для защиты отдельных поверхностей от науглероживания путем установки защитных экранов (втулок, пробок и т.п.); 5) возможность обработки коррозийностойких сталей типа 20X13 за счет удаления оксидной пленки на начальной стадии процесса — катодного распыления; 6) снижение до 80% расхода газового карбюризатора и до 50% потребления электроэнергии.
Для ионной цементации преимущественно применяют двухкамерные установки, состоящие из цементационной и закалочной камер. Обработка деталей проводится по различным технологическим вариантам и завершается непосредственной закалкой в масле или в потоке инертного газа.
Нитроцементация (НЦ) — процесс диффузионного насыщения поверхности азотом и углеродом, осуществляемый в среде науглероживающего газа и аммиака. Этот процесс аналогичен цементации и проводится на том же оборудовании.
В условиях массового производства НЦ осуществляют в безмуфельных печах непрерывного действия в контролируемой по углеродному потенциалу атмосфере с дозированной подачей аммиака.
Для получения слоя толщиной 0,5...0,8 мм нитроцементацию зубчатых колес ведут при температуре 860...880 °С в среде эндогаза, к которому добавляют 0,5...0,8% метана и 0,6... 1,3% аммиака.
Продолжительность насыщения 6—7 ч. Нитроцементованный слой имеет мартенситно-аустенитную структуру, содержит 0,7...0,9% С и 0,1...0,3% N. Присутствие азота повышает износостойкость, теплостойкость, выносливость при изгибе, а также контактную долговечность. НЦ более технологична, чем цементация. При ее проведении не требуется подстуживания перед закалкой, увеличивается прокаливаемость слоя, снижаются деформация и коробление деталей.
Время технологического цикла сокращается на 50%. Для обеспечения высокой конструкционной прочности деталей при НЦ необходимо строго регламентировать степень насыщения поверхности углеродом и азотом. Известен способ высокоскоростной НЦ для упрочнения деталей автомобиля из среднеуглеродистых сталей 40Х, 40ХФ при нагреве с помощью ТВЧ в парах триэтаноламина.
Режим обработки включает скоростной нагрев до 1050°С и вьщержку 200 с для получения диффузионного слоя толщиной -0,4 мм, который после закалки с повторного индукционного нагрева на толщину 2...4 мм приобретает высокую (HRC > 64) твердость и в 1,5...2 раза более высокую износостойкость, чем у деталей, упрочненных только закалкой.
В условиях серийного производства для НЦ преимущественно применяют камерные печи типа СНЦА, в которых возможна непосредственная закалка. Ионную нитроцементацию (ИНЦ) проводят в среде, состоящей из смеси азота, водорода и углеводорода. Опытные установки ИНЦ аналогичны установкам для ионной цементации.
Важное преимущество ИНЦ — отсутствие внешнего и внутреннего окисления, которое снимает ограничения на толщину диффузионного слоя и допустимую концентрацию азота.
При ИНЦ предпочтительны двухстадийные режимы. Они обеспечивают глубокое проникновение азота в толщину слоя. В результате твердость менее интенсивно снижается по толщине слоя, а ее высокий уровень (HV > 700) сохраняется на расстоянии до 1 мм, обеспечивая в 2 раза более высокое сопротивление контактной усталости, чем при газовой цементации. Заметно возрастает и износостойкость; она становится соизмеримой с износостойкостью азотированных слоев.
Азотирование — насыщение легированных сталей азотом. В отличие от цементации и нитроцементации азотирование формирует слой более твердый (800...1200HV) и в 1,5—4 раза износостойкий, имеющий повышенную (до 450°С) теплостойкость и высокий уровень (600...800 МПа) остаточных сжимающих напряжений, способствующих увеличению предела выносливости гладких образцов на 25...30%, а с концентраторами напряжений — в 2 раза и более. Незначительное коробление является важным преимуществом азотирования. К его недостаткам относятся большая длительность (24...90 ч) и небольшая (0,3...0,5 мм) толщина диффузионного слоя, ограничивающая уровень контактных нагрузок.
Строение и свойства азотированного слоя зависят от состава стали и режима обработки, прежде всего температуры процесса. Высокая твердость достигается при азотировании легированных сталей — 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФ, 40ХНМА, 38ХНМФА, ЗОХЗМ, ЗОХЗМФ, ЗОХГТ и др.
Максимальное упрочнение формируется при температурах азотирования 500...520 °С, когда образуются дисперсные нитриды, полностью когерентные с матрицей. При температуре 550...600 °С частицы нитридов укрупняются и когерентность нарушается, что приводит к снижению твердости.
Наибольшая твердость поверхности (1100...1200HV) достигается при азотировании стали 38Х2МЮА. Азотирование находит применение для повышения износостойкости мартенситно- стареющих, коррозионно-стойких, быстрорежущих и штамповых сталей, высокопрочного чугуна, титановых сплавов. Для газового азотирования используют шахтные и камерные печи.
Для получения высокой твердости (900... 1000 HV) и толщине слоя ~ 0,3 мм азотирование проводят при температуре 500...520 °С (24...48 ч). Для получения слоя толщиной 0,5...0,6 мм и высокой твердости применяют двухступенчатое азотирование: 1-я ступень при 510...520 °С (15 ч), 2-я ступень — при 540...560 °С (25 ч).
Фазовый состав слоя регулируют путем изменения азотного потенциала атмосферы. При разбавлении аммиака азотом или аргоном диффузионный слой приобретает развитую нитридную зону и высокое сопротивление абразивному изнашиванию. При добавлении к аммиаку углеродосодержащего газа и повышении температуры процесса до 570 °С на поверхности образуется карбонитридный или карбоксинитридный слой, обладающий повышенной стойкостью к адгезионному изнашиванию.
Такой процесс применяют для упрочнения зубчатых колес, работающих в условиях умеренных контактных нагрузок, кулачковых и коленчатых валов, гильз цилиндров и других деталей.
Для инструмента из быстрорежущих сталей температура процесса составляет 540...560 °С, из хромистых сталей (Х12М, Х12Ф1) - 500...520°С, выдержка 1...3Ч. Ионное азотирование осуществляют в азотсодержащей плазме тлеющего разряда. Длительность процесса ионного азотирования улучшаемых сталей сокращается в 2 раза, а при толщине слоя до 0,3 мм — в 3—4 раза.
Для ионного азотирования используют промышленные установки с полностью автоматизированным циклом обработки. В них вместо аммиачной плазмы используют диссоциированный аммиак либо азотводородную (95 % N2 + 5 % Нз) плазму. Процесс ионного азотирования проводят в две стадии: катодное распыление и собственно насыщение.
Катодное распыление выполняют в течение 20...60 мин при напряжении разряда около 1000 В и давлении 13...26 Па. Ионы и нейтральные частицы газа, бомбардируя по-, верхность деталей (катода), очищают ее от оксидных пленок и активизирует. Температура поверхности при этом не превышает 250 °С.
Затем устанавливают рабочий режим обработки, при котором напряжение составляет 300...600 В, давление 1,3...13,3 гПа, удельная мощность разряда 0,8... 1,0 Вт/см2. Поверхность детали в результате бомбардировки большим количеством ионов нагревается до 450...580 °С. Ионы и атомы азота адсорбируются на поверхности, поглощаются ею и диффундируют вглубь металла.
Параллельно идет процесс катодного распыления, который:
1) снижает высоту шероховатости окончательно обработанной поверхности детали;
2) создает условия для равномерного насыщения трудноазотируемых сталей без дополнительной депассивируюшей обработки;
3) уменьшает размеры деталей, компенсируя обычное их увеличение.
Фазовый состав слоя регулируют изменением давления и состава насыщающей атмосферы. Снижением давления и введением в плазму аргона достигается формирование слоя без хрупкой е-фазы.
Именно такой слой толщиной 10...20 мкм создают при азотировании быстрорежущей стали, стойкость инструмента из которой увеличивается в 2—4 раза. Ионное азотирование эффективно для повышения износостойкости титановых сплавов. Процесс проводят при температуре 900 °С (3...4 ч) в аргоне с незначительной добавкой азота. Разрушение под влиянием катодного распыления нитридной корочки, тормозящей диффузию азота, дает возможность получить слой высокой твердости толщиной до 0,15 мм.
Борирование. Насыщение поверхностей бором применяют для обеспечения высокой (1500...2000HV) твердости и износостойкости. Износостойкость борированной стали 45 в 4—6 раз выше износостойкости цементованных и в 1,5—3 раза нитроцементованных сталей. Борированному слою свойственна также высокая теплостойкость (до 700 °С), окалино- стойкость (до 800 °С) и коррозионная стойкость в различных агрессивных средах.
Недостатки борирования — высокая хрупкость слоя и малая его толщина (0,1...0,2 мм). Борированный слой склонен к скалыванию и имеет небольшую несущую способность. В зависимости от технологии получения борированный слой может быть однофазным, состоящим из столбчатых кристаллов борида Fe2B (1500HV), или двухфазным (FеВ+Fе3В), в котором расположенные сверху кристаллы борида FеВ обладают высокой (2000HV) твердостью и хрупкостью.
Борированию подвергают углеродистые и легированные стали разного структурного класса. Углерод и легирующие элементы уменьшают толщину боридного слоя, что предопределяет необходимость повышения температуры борирования.
Насыщение бором проводят при температуре 850...1050 °С в течение 2...10 ч. Наиболее часто применяют электролизное борирование в расплаве буры (Na2B4О7) с добавками В2О3 и NaCl.
Катодом служит деталь, анодом — графитовые электроды или тигель. Борирование проводят также в газовых средах, порошковых смесях, в кипящем слое, тлеющем разряде. Состав сред и режим процесса подбирают таким образом, чтобы получить однофазный слой, обладающий меньшей хрупкостью.
Для повышения несущей способности слоя, подслой и сердцевину упрочняют, применяя непосредственную закалку. Хорошие результаты дает поверхностная закалка с нагревов ТВЧ.
Борирование применяют для деталей нефтяных насосов, дисков турбобура, пальцев и втулок гусеничных машин и других деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания.