Следовательно, ХТО- это термическая обработка металлов в химически активной среде, изменяющая состав и свойства поверхностного слоя изделия.

Цементация стали.

Это ХТО, осуществляющая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом в соответствующей среде. Цель заключается в получении высокой поверхностной твердости и износостойкости при вязкой сердцевине. Этого достигают обогащением поверхностного слоя стали толщиной s= 0,5- 3 мм углеродом до содержания 0,8- 1% и последующей термообработкой. Цементации подвергают детали из углеродистых и легированных сталей (С£ 0,25%). Она может проводиться в твердых и газообразных углесодержащих средах- карбюризаторах.

Цементация в твердом карбюризаторе[5] .

Твердый карбюризатор- это смесь древесного угля и углекислых солей. Для выполнения такой операции детали помещают в цементационный (стальной ящик) и засыпают карбюризатором рис.2.33.

Рис. 2.33

Упаковка деталей в ящики

при цементации:

1- замазка; 2- карбюризатор; 3- детали; 4- датчик температуры.

При этом детали не должны касаться друг друга. Ящик закрывают крышкой, замазывают огнеупорной глиной, помещают в печь и нагревают до Т= 900- 980°С.

Во время такой обработки углерод угля соединяется с кислородом воздуха и образуется угарный газ СО, который разлагается на СО₂ и атомарный углерод, проникающий в аустенит.

Длительность выдержки зависит от толщины цементируемого слоя. (см. рис. 2.34,а) и температуры нагрева.

Рис. 2.34

Зависимость глубины цементуемого слоя от температуры T°С и времени t [20] :

а- цементация в твердом карбюризаторе;

b- газовая цементация.

Если какие- либо участки детали не должны цементироваться, то их защищают тонким слоем меди (гальваническим способом) или покрывают специальными обмазками. По окончании цементации ящики вынимают из печи, охлаждают на воздухе, а затем распаковывают и вынимают детали.

Газовая цементация.

Детали нагревают в специальных герметически закрытых печах, куда непрерывным потоком подают цементирующий углесодержащий газ. Это естественные или природные газы, а также искусственные газы, или жидкий карбюризатор (бензол, пиробензол, керосин, синтин и др), подаваемые в рабочее пространство печи. Под высокой температурой жидкий карбюризатор разлагается с образованием цементуемого газа.

При разложении метана (СН₄) выделяется водород и атомарный углерод. Последний поглощается поверхностью стали и проникает вглубь.

Газовая цементация имеет больше преимуществ, хотя для получения требуемой упрочненного слоя здесь необходима бо¢льшая временная выдержка нежели в случае использования твердого карбюризатора (см. рис. 2.34,b). Для нее применяют печи непрерывного действия (муфельные, безмуфельные, стационарные) и специальные агрегаты.

Цементируемые детали обязательно подвергают термической обработке, необходимой для получения высокой твердости поверхности, исправления структуры перегрева, возникшей в результате длительной выдержки при высокой температуре, устранения карбидной сетки в цементируемом слое. Наиболее часто детали после цементации подвергают однократной закалке с Т= 820- 850°С. При этом измельчается зерно цементированного слоя и происходит частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

После закалки цементованные детали во всех случаях подвергают низкому отпуску при Т= 160- 180°С для уменьшения закалочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разрушению. После термообработки поверхностный слой имеет твердость HRC 58- 63, структурой сердцевины для углеродистых сталей является феррит и перлит, для легированных - низкоуглеродистый мартенсит или бейнит. Твердость сердцевины HRC 20- 40 (в зависимости от стали). Твердость слоя сохраняется до Т= 200- 225 °С.

Азотирование стали.

Процесс ХТО диффузионного насыщения азотом поверхности деталей. Проводят в в атмосфере аммиака NH₃ при Т= 500- 700°С. Получается поверхность с высокой твердостью, износостойкая и коррозионностойкая с повышенным пределом усталости. Продолжительность процесса до 90 час, h= 0,3- 0,6 мм.

Антикоррозионное (декоративное) покрытие возможно на любых сталях при Т= 600- 700°С с выдержкой 0,5- 1 час.

Твердость карбонитридного слоя на легированных сталях 600- 1100HV. У таких сталей сопротивление износу значительно превышает цементируемые и закаленные стали

Целесообразно азотированию подвергать среднеуглеродистые стали, легированные Cr, Mo, Al, V.

При азотировании выполняют следующие операции:

1. Предварительная термическая обработка заготовки (закалка и высокий отпуск- получается сорбит). 2. Механическая обработка (шлифование).

3. Защита участков, не подлежащих азотированию нанесением тонкого слоя 0,01- 0,015 мм олова электролитическим способом или жидкого стекла.

4. Азотирование. 5. Окончательное шлифование.

Рис. 2.35

Зависимость глубины азотируемого слоя

от режимов обработки.

Длительность процесса азотирования зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше Т°С, тем ниже твердость азотируемого слоя и больше его толщина (см. рис.2.35).

Наиболее сильно повышают твердость Al, Cr, Mo, V. При их присутствии возможно достижение HV1200. Однако алюминий придает азотированному слою повышенную хрупкость.

В процессе насыщения азотом из-за возрастания объема зоны азотирования очень немного изменяются размеры. Если в стали нет алюминия, то азотируют при Т= 570°С в течение 6-10 час. При этом толщина слоя h= 0,3- 0,4 мм, HV800 и высокая износостойкость.

Азотирование проводят при 570°С за 5- 10 час. в атмосфере 50% аммиака и 50% метана.

В последние годы применяют ионное азотирование в тлеющем разряде в атмосфере аммиака NH₃ или азота при подключении детали к отрицательному электроду- катоду. Анод- контейнер установки. Под действием тлеющего разряда ионы бомбардируют поверхность детали, нагревают ее до температуры насыщения. При таком процесс происходит вначале очищение поверхности катодным распылением, затем насыщение.

Азотирование могут производить в жидких средах при Т= 570°С в течение 0,5- 3 час. (в расплавленных цианистых солях), через которые пропускают сухой воздух. Соли расплавляют в тигле из титана. Из-за низкой температуры в сталь диффундирует после разложения солей в основном азот. В результате на поверхности образуется карбонитридный слой толщиной 0,007- 0,015 мкм. Он имеет высокое сопротивление к износу и не склонен к хрупкому разрушению. Ниже располагается слой из твердого азота в Fe_a и избыточные кристаллы g фазы h= 0,15- 0,5 мм. На углеродистых сталях достигается твердость HV300- 350, на легированных HV600- 1200.

Преимущество- сильно повышается предел выносливости стали, незначительно изменяются размеры, отсутствует коробление деталей.

Недостаток- токсичность и высокая стоимость цианистых солей.

Цианирование стали.

Это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при Т= 820- 950°С в расплавленных солях NaCN.

Есть среднетемпературное цианирование при Т= 820- 860°С с толщиной насыщаемого слоя h= 0,15- 0,35 мм. Оно применяется для упрочнения мелких деталей до HRC58- 62. Здесь закалка осуществляется из цианистой ванны, затем отпуск T= 180- - 200°С.

Есть высокотемпературное цианирование для получения h= 0,5- 2 мм при Т= 930- 950°С. В этом случае зеркало ванны покрывают слоем графита для уменьшения потерь тепла и угара цианистых солей.

При цианировании поверхность в большей степени насыщается углеродом (до 0,8- 1,2%) и в меньшей азотом (до 0,2- 0,3 %). После деталь охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна закаливают в соляной ванне или печи и отпускают при Т=180- 200°С.

Процесс цианирования более быстр, нежели цементация. У таких деталей более высокое сопротивление износу и коррозии, но более высокая стоимость и наличие ядовитых паров.

Недостаток- токсичность и высокая стоимость цианистых солей.

Нитроцементация- азотоуглероживание поверхностного слоя в газовой среде, содержащей углерод и азот. В этом процессе не нужно нагревать ящик с деталями, из-за чего процесс считается достаточно удобным.

Борирование

Это- диффузионное насыщение поверхности стали бором. Оно осуществляется при электролизе буры (Na₂B₄O₇). Изделие является катодом. Процесс происходит при Т= 930- 950°С в течение 2- 6 час.

Применяется для повышения износостойкости нефтяных насосов, пяты турбобура.

Силицированиме стали.

ХТО, в которой происходит насыщение поверхности стали кремнием (Si). Придает высокую коррозионную стойкость в морской воде, азотной , серной и соляной кислот и несколько увеличивает износостойкость. Силицированный слой отличается повышенной пористостью, имеет h= 0,3- 1мм, HV200- 300. Его обычно пропитывают маслом при Т= 170- 200°С. Используют в химической, бумажной, нефтяной промышленностях.

Хромирование стали.

- насыщение поверхности деталей хромом. Температура процесса 900- 1100°С, время 5- 20 час, толщина слоя - 0,1- 0,3 мм; HV200- 300 (для низкоуглеродистых сталей); HV1200- 1300 (для средне и высоколегированных сталей).

Цинкование

ХТО, при котором производится горячее покрытие, получаемое погружением детали в ванну с расплавленным цинком. Используется для получения антикоррозионной защиты. Толщина покрытия 10- 50 мкм, твердость HV50- 60. Это покрытие не работает на истирание.

Металлизация- покрытие изделий расплавленным металлом (сталь, латунь, бронза…), частицы которого наносятся на поверхность струей сжатого воздуха или газа. Это делается для придания детали жаропрочности, коррозионостойкости, удаления поверхностных дефектов.

Диффузионная металлизация- это насыщение поверхностного слоя металлической детали хромом (хромирование), алюминием (алитирование)….

Фосфатирование - обработка детали раствором первичной кислоты марганцевой соли фосфорной кислоты. Образуется антикоррозионная неорганическая защитная пленка толщиной 5- 8 мкм, не работающая на истирание.

Покрытия гальванические

Твердое хромирование, никелирование.

Применяется для повышения поверхностной твердости, сопротивления износу металла, коррозионной стойкости. Образуется блестящая поверхность, придающая изделию товарный вид.

Для нагруженных деталей (шток, гильза), контактирующих с уплотнениями из эластичных материалов, выполняется толщина 40- 80 мкм, HV750- 900. Однако в случае повреждения такое покрытие может сниматься пленкой.

Кадмирование.

Покрытие серебристого цвета с сиреневым отливом, антикоррозионное. Толщина пленки 3- 20 мкм. Применяется для неработающих на истирание, не обливаемых рабочими жидкостями деталей.

Оксидирование.

Защитно-декоративное покрытие, образующееся окисной пленкой из сернокислого электролита. Цвет определяется конструктором. Толщины покрытия 5- 8 мкм. Детали не работают на истирание.

Твердое анодирование.

Образуется окисной пленкой сернокислого электролита. Может иметь разный цвет. Покрытие износостойкое и защитное, твердость HV770. Детали с таким покрытием могут работать в среде рабочих жидкостей.