Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующем проведении термообработки. Цель ее – упрочнение поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной прочности, износостойкости и т.п.), изменение физико-химических и других свойств (коррозионных, фракционных и т.д.). От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производят насыщение поверхности обрабатываемых изделий различными элементами (С, Na, Al, Si, Cr и др.). Проникая в основную решетку металла, атомы элемента образуют твердый раствор внедрения или замещения, либо химическое соединение.

Процесс химико-термической обработки включает:

- образование во внешней среде активных атомов диффундирующего вещества;

- поглощение поверхностью основного металла атомов активного вещества (адсорбция);

- перемещение активных атомов с поверхности внутрь основного металла (диффузия).

На качество процесса влияют вид внедряемого вещества, температура, при которой происходит процесс, и его продолжительность.

Диффузионное насыщение стали углеродом (цементация), азотом (азотированием), бором (борирование) и другими элементами широко используется в промышленности.

Цементация – поверхностное насыщение малоугеродистой, чаще низколегированной стали (С<0,2 %) углеродом с последующими закалкой и отпуском с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. Цементацию можно проводить в твердой, жидкой или газообразной среде (карбюризаторе).   

Азотирование – процесс поверхностного насыщения стали азотом путем выдержки стали, нагретой до 500…650 , в атмосфере аммиака . Азотирование стали значительно повышает ее поверхностную твердость (в 1,5…2 раза по сравнению с цементацией), увеличивает износоустойчивость и предел усталости стали, повышает сопротивление коррозии.

Цианирование – одновременное насыщение поверхности стального изделия азотом и углеродом, производится для повышения твердости, износоустойчивости и усталостной прочности мелких и средних деталей.

Диффузионная металлизация – процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами. Его осуществляют путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных элементов, которые могут находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях. Такая обработка изделия придает поверхностным слоям стали жаростойкость, износоустойчивость, сопротивление коррозии и создает возможность замены легированных сталей.

В настоящее время получены положительные результаты при лазерной химико-термической обработке (ЛХТО) поверхности сталей. Насыщение легирующими элементами в этом случае происходит путем диффузии и массопереноса в твердой фазе и из плазмы и жидкой фазы. При этом возможно конвективное и механическое перемещение расплава в зоне воздействия лазерного импульса. Перед ЛХТО на поверхность изделия наносят различными способами (накатка фольги из легирующего материала, электромеханическое или химическое осаждение, напыление, нанесение порошков или обмазок и д.р.) легирующие элементы.

ЛХТО обычно осуществляют в режиме расплавления. Диффузная металлизация стали осуществляется путем легирования поверхности различными материалами – ванадием, ниобием, титаном и вольфрамом (существенно повышается твердость). Высокая износостойкость и кавитационная стойкость получена при лазерном азотировании и замазок на стали 38Х2МЮА и 15ХМФ. Упрочнение поверхности стали достигается и при лазерном борировании и цементации. Во всех случаях износостойкость изделия резко повышается.

Легированные стали

Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы.

Если количество элементов примерно 0,1 %, то говорят о наличии микролегирования. Легирующие элементы оказывают влияние на электронную и дислокационную структуру металла. Замещая атомы в решетке основного металла, они создают барьеры на пути движущихся дислокаций, меняют характер и величины межатомных взаимодействий в сплаве, что влияет на подвижность дислокаций и в итоге определяет прочность и деформативные свойства сплавов. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает ее прочность. Так, например, установлено, что при измельчении зерна феррита (до 1 мкм) повышается предел текучести малоуглеродистой стали в три раза.

Легированные стали характеризуются лучшим комплексом физико-химических и механических свойств по сравнению с углеродистыми. Изменяя направленно структуру стали путем легирования можно получить стали повышенной: жаростойкости, коррозионной стойкости, ударной вязкости, с высокими значениями предела текучести. Легированные стали лучше прокаливаются, чем углеродистые, что способствует уменьшению деформаций изделий и вероятности образования трещин.

В качестве легирующих элементов используют хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, бор, титан, медь и др., а также марганец и кремний в количествах, превышающих их обычное содержание (1 % и выше).

Каждый из легирующих элементов оказывает свое влияние на структуру и свойства стали.

Влияние некоторых легирующих добавок на свойства стали представлено в таблице 7.3.

Таблица 7.3

Примечания. Обозначения: П – повышает, ЗП – значительно повышает, НЗП – незначительно повышает; С – снижает; ЗС – значительно снижает; НЗС – незначительно снижает, НВ – не влияет, МВ – мало влияет.

Так, например:

- хром повышает твердость, уменьшает ржавление;

- никель увеличивает прочность, пластичность и коррозионную стойкость;

- вольфрам увеличивает твердость и красноломкость;

- ванадий повышает плотность, прочность, сопротивление удару и истиранию;

- марганец при содержании его в стали выше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок;

- медь уменьшает коррозию;

- алюминий повышает окалиностойкость;

- титан повышает прочность и сопротивление коррозии.

В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. В легированной стали может находиться одновременно несколько легирующих элементов.

По влиянию на температурный и концентрационный интервалы (или область) существования аустенита ( модификация железа) легирующие элементы в стали подразделяют на две группы:

а) элементы расширяющие область существования аустенита, например, никель, марганец – их называют стабилизаторы;

б) элементы, замыкающие область существования  - стабилизаторы.

Влияние легирующих элементов на область существования  в основном объясняют их однотипностью (изоморфностью) кристаллических решеток одной из фаз железа.

Влияние легирующих элементов на кинетику распада переохлажденного аустенита проявляется в двух направлениях:

а) повышение устойчивости остаточного аустенита, замедление его распада, что присуще элементам, не образующим специальных карбидов в стали (никель, марганец, кремний), а лишь легирующих феррит или цементит.

б) образование на диаграмме изотермического превращения аустенита двух максимумов скорости распада переохлажденного аустенита, разделенных зоной его повышенной устойчивости. Такое воздействие на кинетику распада аустенита оказывают карбидообразующие элементы – хром, молибден, вольфрам и др.

Замедление распада аустенита в легированных сталях вызвано тем, что перлитные превращения контролируются не только диффузией углерода, но и диффузией легирующих элементов с образованием легированного цементита или специальных карбидов.

В конструкционных сталях основными легирующими элементами является хром, никель, кремний и марганец.

Классифицируют легированные стали по различным признакам: по химическому составу легирующих добавок, по качеству, по назначению, по типу равновесной структуры после нормализации.

По химическому составу легированные стали подразделяют в зависимости от вводимых элементов на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов стали делят на:

- низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);

- легированные (от 2,5 до 10 %);

- высоколегированные (более 10 %).

Разновидностью классификации стали по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких как: однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания в ней газов и вредных примесей – серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяют на:

- качественные (до 0,04 % S и до 0,035 % P);

- высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % P);

- особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % P).

По назначению легированные стали делят на три группы:

- конструкционные;

- инструментальные;

- стали с особыми физическими и химическими свойствами.

По типу равновесной структуры стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру. Доэвтектоидные и заэвтектоидные состоят из перлита, избыточного феррита и вторичных карбидов. В структуре литых сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом. В сталях с высоким содержанием легирующих элементов, сужающих область, возможно исчезновение превращений. Такие стали относят к ферритному классу. При высоком содержании в стали элементов расширяющих область пр аустенитных превращений, происходит стабилизация аустенита. Эти стали относят к аустенитному классу. Таким образом, с учетом фазового равновесия легированные стали относят к перлитному, карбидному, ферритному или аустенитному классу.