8.5. Химико-термическая обработка сталей

Химико-термической обработкой называют процесс, сочетающий термическое и химическое воздействие на поверхностный слой стальных деталей с целью увеличения твердости и прочности этого слоя при сохранении мягкой сердцевины детали. Применяют химико-термическую об­работку для повышения износостойкости деталей, работаю­щих в условиях трения. Из многих видов химико-термиче­ской обработки в кузницах не машиностроительных предприятий обычно применяют цементацию и цианирова-ние.

170

Таблица 8.3

	Температура, °С
Марка стали			Твердость НВ
	закалка в масле ——————к————————	отпуска

 

Пружина

850 ... 870        I 400 ... 460 )          387 ... 418

65	840
			OOQ Л1&'3
70	830
85	820		269
65Г	830	480
60Г	840		241
70Г	830
55С2*		420 ... 460	341 ... 445
60С2 '	850 ... 870	430 ... 460	338 ...477
70СЗА	860	460 ...470 388 ...445
Рессора
55С2	860 ... 870	480 ... 500 364 ... 410
60С2	850 ... 870	400 ... 460	387 ... 418

 

* Для стали 55С2 закалочной средой может быть и вода.

Цементация состоит в диффузионном насыщении угле­родом поверхностных слоев деталей, изготовленных из мягкой и вязкой углеродистой или легированной стали с содержанием углерода меньше 0,25%, которые по харак­теру использования должны иметь твердые наружные слои и вязкую сердцевину. Например, зубчатые колеса, червяки червячных передач, поршневые пальцы, ролики подшипников качения, трущиеся о землю детали сельско­хозяйственных машин и др.

В основном цементации подвергают следующие марки стали: 10, 15, 20, 25, 15Г, 20Г, 15Х, 20Х3, 15ХГ, 18ХГМ, 12ХМ, 15НМ, 20НМ, 20ХН, 12Х2Н4, 20Х2Н4-

Науглероживание наружного слоя происходит при нагреве готовых деталей в материалах, легко отдающих 171

Таблица 8.4

Составы заводских карбюризаторов

Соста в-	Сосгаи карбюризаторов по номерам
ляющая
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Древесный	74 ... 78	65	87	85 ... 90	90		60	45	98
уголь
Углероди­	15... 12	10	—		10		40	12	2
стый барий
Кальцини­	1 ... 1,5	1	10	15... 10		15... 10			—
рованная
сода
Углекислый	3,5	1	3
кальций
Кокс		20						43	.
Торфяной	—	—	—	—	—	85 ... 90	—		—
кокс
Мазут	5... 4,5	3	—	—	—	—	—	—	—

 

углерод, которые называют карбюризаторами. При этом сталь нужно нагревать до температуры выше линии SG (см. рис. 8.2). Карбюризаторы могут быть твердыми, жид­кими и газообразными. В кузницах не машиностроитель­ных предприятий возможно применение цементации в твердых карбюризаторах, как наиболее простом способе.

Цементация твердым карбюризатором состоит в разме­щении детали в этом карбюризаторе, нагреве до темпера­туры 920...950°С, выдержке при этой температуре и охлаждении с карбюризатором без доступа воздуха. В результате наружные слои детали насыщаются углеродом до 0,8...1,0% на глубину 0,5...2,4 мм.

Твердые заводские карбюризаторы представляют собой твердую смесь, содержащую от двух до шести элементов (табл. 8.4). В кузницах же можно приготовить заменители карбюризаторов, при использовании которых получают качество цементации не хуже, чем заводскими карбюриза­торами. Составы заменителей карбюризаторов могут быть следующими.

Первый — торф с влажностью не более 10%, из­мельченный и просеянный через сито.

Второй — опилки различных древесных пород (лучше березовые или дубовые).

Третий — опилки твердых пород дерева 92...95% и кальцинированная сода 5...8%.

178',

Рис. 8.4. Ящик для химико-термической обработки деталей:

1 — крышка; 2 — глиняная обмазка; 3 — цементационная смесь; 4 — «сви­детель»; 5 — цементуемые детали; 6 — ящик; 7 — песок

Четвертый — подсолнечная шелуха 95% и каль­цинированная сода 5%.

Опилки и шелуху следует хорошо просушить. Карбю­ризаторы можно применять повторно с добавлением к ним 25...30% свежего карбюризатора.

Процесс цементации в твердом карбюризаторе выпол­няется следующим образом. Детали, подлежащие цемента­ции, промывают в керосине, бензине или 5%-ном растворе каустической соды и укладывают рядами в стальной цементационный ящик (рис. 8.4, а). Одновременно с дета­лями в этот ящик укладывают два прутка диаметром 10. -.20 мм из одинаковой с деталями стали, так чтобы концы их выходили наружу, а один пруток кладут ниже деталей на 10... 15 мм. Эти прутки называют «свидетелями» и применяют их для контроля процесса цементации. Между рядами деталей и «свидетелями» насыпают карбю­ризатор и утрамбовывают. Ящик закрывают стальной крышкой и щели замазывают замазкой, состоящей из двух частей огнеупорной глины и одной части речного песка, разведенных водой до тестообразного состояния.

Подготовленный таким образом ящик устанавливают в (печь или горн, засыпают коксом (углем) и разводят огонь. Температура нагрева ящика и деталей должна быть не менее 900...950°С, потому что при 880 °С цементирую­щая способность опилок уменьшается, а при 820 °С про­исходит обратный процесс — выделение углерода из стали. Продолжительность выдержки при температуре 900... ...950°С зависит от желаемой глубины цементационного слоя и может быть следующей:

Глубина слоя, мм ......   0,4 ... 0,7   0,6 ... 0,9   0,8 ...1,2

Продолжительность   выдерж­ки, ч ............  4,0 ... 5,0   5,5 ... 6,5   6,2 ... 10

Глубина слоя, мм ......  1,2 ... 1,6   1,6 ...2,0   2,0 ... 2,4

Продолжительность выдерж­ки, ч ............ 10 ... 1,4     14 ... 19    19 ... 24

Время нагрева ящика и деталей до температуры цемен­тации (2...4 ч) не учитывается. Отсчет времени выдержки начинают с момента нагрева ящика и деталей до темпера­туры 900 °С. Глубину цементации определяют по прут­кам — «свидетелям». Ко времени предполагаемого конца цементации прутки по очереди вынимают из ящика и вакаливают в воде. На прутке по излому определяют глубину цементационного слоя, отличающегося от сердце­вины более светлой окраской и более мелким зерном. По Прутку, уложенному ниже деталей, определяют оконча­тельную ширину цементированного слоя в деталях.

После достаточной выдержки ящик с деталями и карбю­ризатором охлаждают на воздухе, не нарушая замазки, Затем детали вынимают из ящика, закаливают и подвер­гают низкому отпуску. Температура закалки—800... ...830°С, отпуска— 160...200°С. Поверхность правильно цементированной детали должна иметь матово-серебристый цвет. Наличие цветов побежалости или окалины указывает на некачественность цементации.

Чтобы не замазывать глиной соединение ящика с крыш­кой, для цементации можно применять ящик с песочным затвором (рис. 8.4, б). Детали в него укладывают так же, как показано на рис. 8.4, а.

Места деталей, которые не требуется цементировать, омедняют или покрывают слоем огнеупорной смеси, напри­мер, состоящей из следующих компонентов; первая смесь—огнеупорная глина с 5...10%-ной примесью из­вести или асбеста; вторая смесь — 30% огнеупорной глины^ 20% песка и 50% измельченной до порошка окалины. , Цианирование состоит в одновременном насы­щении поверхностных слоев деталей углеродом и азотом. При этом стойкость деталей против истирания увеличи­вается еще в большей степени, чем после цементации.

Наиболее простой способ цианирования мелких деталей (болтов, гаек, губок ключей и плоскогубцев, измеритель­ного инструмента, напильников и др.) состоит в следую­щем. Деталь нагревают в печи или горне до температуры 780...850 "С. После некоторой выдержки при этой темпера­туре деталь вынимают из печи или горна и места, подлежа­щие цианированию, равномерно со всех сторон посыпают порошком синькалн [гексацианоферрат (II) калия 3-вод-

174

ный1 или кровяной соли. Деталь снова нагревают, да температуры 800...850°С для расплавления порошки, Повторение этой операции несколько раз обеспечивает насыщение поверхности стали азотом и углеродом на глу­бину до 0,2 мм. После этого детали закаливают и подвер­гают низкому отпуску. Твердость поверхности детали после цианирования получается такой, что напильник

по ней будет скользить.

Для более глубокого цианирования используют пасту

следующего состава: 40% голландской сажи или торфяного кокса (малосернистого), 15% углекислого бария, 20% углекислого натрия, 20% синькали и 5% песка. Все компоненты разводят в 15%-ном водном растворе техниче­ской патоки или канцелярского клея до густоты, какую имеют краски. Пасту наносят на детали слоем З...4мм для получения глубины цианированного слоя I...1,5 мм. Детали загружают в пустые цементационные ящики с песочным затвором (рис. 8.4, б), нагревают их до темпера­туры. 920...930°С, выдерживают 1...1,5ч, охлаждают, закаливают и подвергают низкому отпуску.

Для цианирования инструментальной и быстрорежу­щей сталей применяют пасту, состоящую из 50% порошка древесного угля, 25% соды и 25% синькали, которые разво­дят в 15%-ном водном растворе патоки. Пасту намазывают, на инструмент слоем б...8 мм. После просушки слоя пасты инструмент укладывают  в  цементационный  ящик (рис. 8.4, б), пересыпая детали чугунной стружкой, нагре­вают до температуры 780...820°С, выдерживают при этой температуре 2...3 ч, охлаждают, закаливают и подвергают

низкому отпуску.

Инструменты из быстрорежущей стали могут быть

подвергнуты низкотемпературному цианированию в газо­вой, жидкой или твердой стредах. Твердая среда состоит из 60...80% древесного угля с зерном 3...6 мм и 40...20% желтой кровяной соли 1гексацианоферрат (II) калия!. измельченной в порошок. Инструменты укладывают в ящик, пересыпая их цианирующей смесью, нагревают до температуры 550... 560 °С, выдерживают l..-Зч в зависи­мости от толщины инструмента и охлаждают ящик вместе с инструментом до температуры 200...100°С. Однако применение жидкой и газообразной сред требует ср&-циального оборудования и в кузницах применять их

сложно.

Режим химико-термической обработки некоторых ста-

175

лей и твердость их после такой обработки приведены Bj табл. 8.5.

Таблица 8.5 Твердость некоторых сталей после химико-термической обработки

Марка
стали	при температуре, °С	поверх-
			сердце­
		I?RC	вины НВ
0,8	Цнр, 820 ... 860 + 3, 820 ... 860, во­		Не менее
	да + Он, 160 ... 180, воздух		137
10.	То же	56 ... 62
15	Ц, 900 ... 920, воздух + 3, 760 ... 780,		146... 136
	вода + Он, 160 ... 200, воздух
20	Ц, 920 ... 950, воздух + 3, 800 ... 820,		Не более
	вода + Он, 180 ... 200, воздух		156
25	Ц, 920 ... 950, воздух + 3, 820 ... 840, вода + Он, 180 ... 200, воздух	54 ... 62	Не менее
20Г	Цнр, 840 ... 860 + 3, 820 ... 840, мас­		170
	ло + Он, 180 ... 200, воздух

 

Примечание. Ц— цементация, Цнр — цианирование, остальные, как в табл. 8.3.