Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называют процесс, заключающийся в сочетании термического и химического воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами.

Наибольшее распространение получили следующие виды химико-термической обработки.

Цементация – процесс, состоящий в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом до оптимальной концентрации 0,8-1,1% и получении после закалки высокой твердости поверхности (HV 700-800) при сохранении вязкой сердцевины. Цементации подвергаются детали, изготовленные из низкоуглеродистых сталей (0,1-0,25%С) или из легированных низкоуглеродистых сталей. При нагреве происходит разложение метана по реакции . Атомарный углерод поглощается поверхностью стали и проникает в глубину детали. Газовая цементация деталей производится при температуре 930-950°С.

Азотирование заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя , его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в среде атмосферного воздуха, воды, пара и т.д. Азотирование проводят обычно при 500-600°С (для повышения износостойкости и прочности) или при 600-800°С (для повышения коррозионной стойкости) в среде аммиака, который при указанных температурах диссоциирует с образованием атомарного азота по реакции . Атомарный азот диффундирует в железо. В сталях, легированных алюминием, хромом и молибденом, твердость азотированного слоя достигает HV1200. Обычно при азотировании получают слой толщиной 0,2-0,6 мм.

Нитроцементация и цианирование – поверхностное насыщение деталей одновременно углеродом и азотом. Процесс выполняют либо в газовой среде, либо в ванне из расплавленных цианистых солей. В первом случае процесс называют нитроцементацией, во втором – цианированием. Газовая нитроцементация позволяет повысить износостойкость обрабатываемых деталей и сделать процесс более рентабельным. При низких температурах поверхностный слой стали насыщается преимущественно азотом, а при высоких – углеродом. Детали нагревают в газовой смеси, состоящей из науглероживающего газа (90-98%) и аммиака (2-10%). Кроме того применяют специальный жидкий карбюризатор – триэтаноламин , вводимый в виде капель в рабочее пространство. Газовое цианирование (нитроцементацию) разделяют на высокотемпературное (при 800-950°С) и низкотемпературное (при 550-600°С). Высокотемпературное цианирование применяют для достижения высокой твердости и износостойкости поверхности деталей из конструкционных сталей с получением слоя глубиной 0,2-1,0мм. После нитроцементации детали закаливают и затем подвергают низкому отпуску. Низкотемпературное цианирование выполняют в течение 5-10 часов в среде эндогаза или газа, полученного из синтина (смесь углеводородов) с добавлением 12-20 % аммиака, или путем использования триэтаноламина. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий слой карбонитридов (толщиной 0,15-0,20 мм), обладающий высокой износостойкостью. Перед низкотемпературным цианированием производится полная механическая и термическая обработка деталей.

К числу относительно новых методов химико-термической обработки относят насыщение поверхности стали бором. Борирование повышает твердость (HV 2000), сопротивление абразивному износу и коррозионную стойкость. Борированная сталь теплостойка до 900°С, жаростойка до 800°С, однако борированные слои обладают высокой хрупкостью. При сульфидировании производят насыщение поверхности стали серой, азотом и углеродом на глубину 0,2-0,3 мм для повышения износостойкости, прирабатываемости деталей при трении и устойчивости их против задиров.

Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование). Металлизация кремнием повышает кислотоупорность, хромом или алюминием – жаростойкость, хромом, азотом и углеродом – износостойкость и т.д. Металлы образуют с железом твердые растворы, замещения, поэтому диффузия их осуществляется значительно труднее, чем диффузия углерода или азота. В связи с этим процессы диффузионной металлизации выполняют при высоких температурах: алитирование – при 900-1000°С, силицирование – при 950-1050°С.

Применение диффузионной металлизации во многих случаях не только вполне оправдано, но и является экономически выгодным. Так, детали жаростойкие при температуре до 1000-1100°С, изготовляют из простых углеродистых сталей, а с поверхности насыщают алюминием, хромом или кремнием, что значительно выгоднее, чем применение специальных легированных жаростойких сталей.