Химико-термическая обработка (ХТО).

Это процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей. Изменение химического состава осуществляется за счет взаимодействия с окружающей средой. Основные процессы ХТО – диссоциация-абсорбция-диффузия.

Диссоциация – получение насыщенного элемента в более активном, атомарном состоянии (например, 2NH₃↔2N+3H₂).

Абсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Диффузия – перемещение захваченного поверхностью атома в глубь изделия.

1. Цементация – это химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом. Изделие нагревают в среде, легко отдающей углерод. Цементации подвергают стали с малым содержанием углерода (0,1-0,2%). Глубиной цементации условно считают расстояние от поверхности детали до половины зоны, где в структуре наряду с перлитом имеется примерно то же количество феррита. Обычно глубина составляет 1-2 мм. Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (не более 1,2%).

После цементации изделия подвергают закалке с низким отпуском. Это обеспечивает получение в поверхностном слое изделий высокой твердости при сохранении мягкой и вязкой сердцевины. На поверхности после цементации возникают напряжения сжатия, увеличивающие предел выносливости долговечность изделий. Цементацию проводят в твердом, жидком и газообразном карбюризаторах.

При газовой цементации детали нагревают в герметических печах в атмосфере углеродсодержащих средах (например, метан 92-96% – наиболее активный карбюризатор). Детали нагревают до 930-950 ⁰С до аустенитного состояния, т.к. он растворяет до 2%С и выдерживают определенное время (0,1 мм за 1 час выдержки). Поэтому весь процесс цементации составляет 8-12 часов.

При цементации твердым карбюризатором изделия помещают в металлические ящики со смесью древесного угля (75–80% объема) и активизаторами BaCO₃ и Na₂CO₃. Ящики закрывают крышками, обмазывают огнеупорной глиной для герметичности, помещают в печь и нагревают до 900-950 ⁰С. Недостатки: некотролиерумость процесса, трудоемкая операция и т.д.

После цементации изделия приобретают структуру, приведенную на рис. 4.1

I II III IV

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 4.1. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения с температуры цементации

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящей из перлита и вторичного цементита (зона І). По мере удаления от поверхности содержание углерода уменьшается и структура состоит из одного перлита (зона ІІ). Затем появляются зерна феррита (зона ІІІ), их количество по мере удаления от поверхности увеличивается и структура становится отвечающей составу стали (зона IV).

2. Азотирование. Азотированием называется ХТО, при которой поверхностный слой детали насыщается азотом. При этом увеличивается не только твердость и износостойкость, но и повышается коррозионная стойкость.

Рис. 4.2. Микроструктура азотированного слоя.

I II III IV

При азотировании изделия загружают в герметические печи, куда поступает аммиак NH₃ с определенной скоростью, который при нагреве до 500-600 ⁰С диссоциируется по реакции 2NH₃→2N+3H₂ .

Структура азотированного слоя представлена на рис. 4.2 и состоит из 4 зон: I – азотистый феррит; II – твердый раствор на основе нитрида железа Fе₄N; III – твердый раствор на основе нитрида железа Fе₂N; IV – твердый раствор азота в γ-железе.

На практике азотированию подвергают легированные стали. Со многими легирующими элементами азот образует химические соединения – нитриды. Большая твердость азотированного слоя объясняется мелкодисперсностью образующихся нитридов.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали. Например, для получения слоя толщиной 0,6 мм продолжительность азотирования должна составлять 40 часов.

Наиболее распространенной сталью, предназначенной для азотирования, является сталь 35ХМЮА (0,3-0,38 % С; 1,35-1,65 % Сr; 0,4-0,6 % Mo; 0,75-1,1 % Al).

3. Цианирование стали - это процесс одновременного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом. Различают жидкое, твердое и газообразное цианирование (последнее называют нитроцементацией).

Твердое цианирование осуществляют аналогично твердой цементации, только карбюризатор содержит цианистые соли (например, 30-40% K₄Fe(CN)₅ (желтая кровяная соль), 10% Na₂CO₃ (сода), остальное – древесный уголь).

Жидкое цианирование проводят в расплавленных цианистых солях.

Газовое цианирование осуществляют в смеси науглероживающих и азотирующих газов.

Цианирование разделяют на высокотемпературное (800-950 ⁰С) и низкотемпературное (500-600 ⁰С). Низкотемпературное цианирование применяют для инструмента из быстрорежущей стали, а также для среднеуглеродистых сталей. Оно состоит в насыщении стали азотом в цианистых солях, через которые пропускают сухой воздух. Процесс протекает при 570 ⁰С в течение 0,5-3 часа. На поверхности возникает тонкий карбонитридный слой, обладающий хорошим сопротивлением износу, менее хрупкий, чем нитриды. Высокотемпературное цианирование применяют для углеродистых и легированных сталей.

По сравнению с цементированным, цианированный слой обладает более высоким сопротивлением износу, большей твердостью, лучшим сопротивлением коррозии. После цианирования детали сразу подвергают закалке.

4. Диффузионная металлизация. Это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. При насыщении хромом этот процесс называется хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием. Комбинированные процессы одновременного насыщения хромом и алюминием называют хромоалитированием, хромом и вольфрамом – хромовольфрамированием и т.д.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах. При твердой металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или Cl₂ образуется летучее соединение хлора с металлом (AlCl₃; CrCl₂; SiCl₄ и т.д.), которое при контакте с металлической поверхностью диссоциирует с образованием свободных атомов. Жидкую металлизацию проводят погружением детали в расплавленный металл. Газовую металлизацию проводят в газовых средах,являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузионная металлизация является дорогостоящим процессом, его проводят при высоких температурах (1000-1200 ⁰С) длительное время. Одним из основных свойств диффузионно-металлизированных поверхностей является высокая жаростойкость. Поэтому жаростойкие детали для рабочих температур до 1000-1100⁰С изготавливают из простых углеродистых сталей с последующей диффузионной металлизацией.