Химико-термическая обработка (ХТО)

2.4.3.1 Общие положения

Химико-термической называют обработку, которая заключается в сочетании термического и химического действия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

По сравнению с поверхностной закалкой, преимуществом ХТО является более существенная разница между свойствами сердцевины и поверхности, которая при ХТО определяется разницей в строении и составе, а при поверхностной закалке – только разницей в строении слоя.

К достоинствам данного вида поверхностного упрочнения следует отнести независимость от внешней формы изделия, а также возможность устранить последствия перегрева при ХТО последующей термической обработкой.

При химико-термической обработке проходят три взаимосвязанные стадии: диссоциация, адсорбция и диффузия.

В результате диссоциации образуются активные атомы насыщающего элемента. Адсорбция есть поглощение активных атомов поверхностью металла, а диффузия – проникновение их в глубину.

Диффузия является важной стадией ХТО. При образовании твердых растворов замещения диффузия происходит по вакансионному механизму, а при образовании твердых растворов внедрения – путем диффузии между узлами кристаллической решетки. Толщина диффузионного слоя определяется температурой и длительностью процесса. Зависимость толщины от температуры носит экспоненциальный характер согласно формуле:

D = А е ,

где D - коэффициент диффузии

Q - энергия активации;

R - газовая постоянная;

T - абсолютная температура.

Зависимость толщины диффузионного слоя от длительности процесса носит параболический характер и определяется формулой:

δ = ,

где δ- толщина слоя

t - время.

Наиболее распространенными видами ХТО являются цементация, азотирование, цианирование (нитроцементация), борирование и диффузионная металлизация (насыщение при высоких температурах поверхности детали металлами).

2.4.3.2 Цементация стали

Цементацией называют процесс химико-термической обработки, который заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Основная цель цементации – получение твердого и прочного поверхностного слоя при наличии вязкой сердцевины.

Оптимальным по количеству углерода в цементированном слое является содержание, которое равняется 0,8...1,1%. При концентрации свыше 1,1% С в поверхностном слое образуется грубая цементитная сетка по границам зерен, что негативно влияет на его прочность.

Для цементации используют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%. Процесс проводят при температурах выше точки А_С3, поскольку только в аустените, образующемся при этих температурах, углерод растворяется в необходимом количестве. Обычно температура цементации составляет 910...930^оС, более высокие температуры хотя и способствуют сокращению длительности процесса, но вызывают повышенный рост зерна.

Концентрация углерода в цементированном слое уменьшается от поверхности, и после медленного охлаждения различают три зоны в его строении:

- заэвтектоидную, которая состоит из перлита и вторичного цементита;

- эвтектоидную, структура которой содержит только перлит;

- доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита, соотношение между которыми постепенно уменьшается к исходному.

Насыщающая среда называется карбюризатором. Различают цементацию в твердом и газовом карбюризаторах.

Твердым карбюризатором является древесный уголь с примесями BaCO₃, Na₂CO₃ или K₂CO₃ (10...20%), которые играют роль активаторов. При цементации детали загружают в металлический ящик и герметизируют. Между кусочками угля есть воздух, кислород которого соединяется с углеродом и образует окись углерода из-за недостаточного количества кислорода. Окись углерода при температуре процесса 900...950^оС неустойчива и при контакте с железной поверхностью разлагается по реакции: 2СО Þ СО₂ + С_ат. с образованием атомарного углерода, который поглощается поверхностью. Активаторы разлагаются по реакции: ВаСО₃ Þ ВаО + СО₂, что ведет к увеличению газа СО₂, который взаимодействует с углем карбюризатора по реакции: СО₂ + С_кар6 Þ 2СО, что, в конечном счете, увеличивает количество атомарного углерода. Скорость роста цементованного слоя составляет до 0,1 мм/час при температуре 920...930⁰С.

Вместе с простотой и стабильностью у этого вида цементации есть недостатки:

- большая длительность, которая обусловлена нагреванием металлического ящика с карбюризатором и определяется из расчета 7...9 минут на 1 см его минимального размера;

- отсутствие возможности закалки непосредственно с температуры цементации (поскольку после насыщения ящики необходимо охладить и разобрать) определяет необходимость дополнительного нагрева для проведения закалки.

Процесс газовой цементации является более производительным, поскольку скорость образования слоя составляет 0,15... 0,18 мм/час. Наиболее распространенной на машиностроительных заводах является цементация в шахтных печах. Детали размещают в герметическом контейнере (реторте), в который подают газ для цементации. В качестве газовых карбюризаторов используют пропан, бутан и метан в виде природного газа (92...96% СН₄).

Наиболее распространена цементация в природном газе. Атомарный углерод образуется при диссоциации метана: СН₄ Þ 2Н₂ + С_ат..

Непосредственно после цементации твердость поверхностного слоя имеет низкие значения (не выше 300 НВ). Для достижения высокой твердости поверхностного слоя необходимой операцией после цементации является закалка с последующим низким отпуском при 150-200^оС для снятия внутренних напряжений. После такой обработки твердость поверхности составляет 58…62 HRC, а сердцевины - 25…35 HRC.

В процессе закалки измельчается зерно, которое растет в результате длительных выдержек при высоких температурах цементации, а также устраняется карбидная сетка в цементированном слое.

В зависимости от назначения деталей используют следующие варианты термической обработки после цементации.

Для деталей, от которых требуется только поверхностная твердость, а другие механические свойства не имеют большого значения, используют закалку непосредственно с цементационного нагрева. Для снижения напряжений при закалке с цементационного нагрева предварительно проводят подстуживание на воздухе до 840…860^оС, а затем охлаждают в закалочной среде. Такая обработка не исправляет структуры цементированного слоя и сердцевины, поэтому её применяют только в тех случаях, когда детали изготовлены из наследственно мелкозернистых сталей.

При повышенных требованиях к структуре и свойствам детали после цементации охлаждают на воздухе, а затем подвергают закалке от температуры А_С3 + 30...50^оС и отпуску при 150…200⁰С. В результате охлаждения на воздухе зерно становится мелким в поверхностном слое и сердцевине, а нагрев выше А_С3 ведет к полному растворению сетки цементита в поверхностном слое.

Для удовлетворения особенно высоких требований к механическим свойствам цементуемых деталей используют двойную закалку с последующим низким отпуском. Первая закалка после цементации осуществляется при температуре А_С3 + 30...50^оС с целью измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки на поверхности, если она была образована при цементировании. Вторая закалка осуществляется от температуры А_С1 + 20...40^оС для формирования свойств поверхностного слоя. Полученный после такой закалки мелкогольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита обеспечивает высокую износостойкость.

Детали на цементацию поступают после механической обработки с припуском на шлифование. Если требуется цементировать отдельные участки детали, то на остальную поверхность наносят электролитическим способом тонкий слой меди.