Химико-термическая обработка стали.

Химико-термической обработкой (ХТО) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

Такая обработка применима к деталям, от которых требуется наличие твердой и износоустойчивой поверхности при сохранении вязкой сердцевины, высокой коррозионной стойкости, высокого сопротивления усталости и т.д.

ХТО включает следующие основные взаимосвязанные стадии:

· образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого материала;

· адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

· диффузию – перемещение адсорбированных атомов в поверхность металла.

Цементация – диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка – закалка (780-850 ºС) и низкий отпуск (150-200 ºС). Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3 % углерода. Поверхность детали насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1 %. Цементация осуществляется в твердых, газообразных и жидких средах (карбюризаторах).

При цементации в твердом карбюризаторе используется металлический ящик (Рис.58.). Детали располагают в ящике в шахматном порядке. Вместе с деталями в ящик загружают цилиндрический образец – «свидетель», изготовленный из стали той же марки, из которой изготовлены детали. По «свидетелю» определяют глубину цементированного слоя. В качестве карбюризатора служит смесь древесного угля (60-90 %)и углекислых солей бария ВаСО₃ и натрия NаСО₃. ящики закрывают крышкой, устанавливают в печь и выдерживают при температуре 900-950 ºС.

Рис.58. Схема укладки деталей в цементационный ящик

При нагреве углерод древесного угля соединяется с кислородом воздуха, образуя окись углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода, диффундирующего в деталь: 2СО СО₂ + С _{атомарный}. Двуокись углерода взаимодействует с древесным углем и вновь образует окись углерода: СО₂ + С 2СО и т.д.

Чаще всего карбюризатор имеет состав: 14-22 % ВаСО_3, 4 % Nа₂СО₃ , 2 % СаСО₃, 6 % патоки или крахмала, не более 5 % влаги и остальное – древесный уголь твердых парод с зерном 7-12 мм.

При температуре цементации углекислые соли разлагаются на окиси и углекислый газ: ( ВаСО₃ ВаО + СО₂; Nа₂СО₃ Nа₂О + СО₂). На поверхности цементированной стали образуется заэвтектоидная зона (перлит и сетка цементита(, далее располагается эвтектоидная зона (перлит), и при переходе к сердцевине – переходная доэвтектоидная зона (феррит и перлит). За толщину цементированного слоя принимают сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны (Рис.59.). С повышением температуры и времени выдержки толщина цементированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5 – 2 мм. на каждые 0,1 мм толщины слоя требуется выдержка около 1 часа.

Рис.59.

В единичном производстве используется цементация пастами. При массовом и крупносерийном производствах применяют газовую цементацию в специальных герметически закрытых печах. Газовая цементация позволяет повысить скорость процесса (по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе), повысить производительность труда, осуществить автоматизацию и регулирование процесса насыщения металла углеродом. При газовой цементации атомарный углерод образуется при разложении углеводородов и окиси углерода. Основным углеводородом является метан СН₄, разложение которого идет по реакции СН₄ 2Н2 + С _{атомарный}. Для цементирования слоя глубиной 1мм при газовой цементации требуется 3-4 часа (при цементации в твердом карбюризаторе -10 часав).

Высокую скорость науглероживания (0,12 – 0,15 мм/ч) обеспечивает жидкостная цементация. Она осуществляется в соляной ванне следующего состава: 75-80 % Nа₂СО₃, 10-15 % NaCl и 6-10 % SiC (карборунд). Процесс ведется при температуре 850-860 ºС. Добавление в ванну хлористого аммония NH₄Cl интенсифицирует процесс. Жидкостная цементация создает возможность закалки зацементированных деталей прямо из соляной ванны, позволяет достигнуть равномерности нагрева.