Основы процесса химико-термической обработки

В современном машиностроении для повышения твердости, износостойкости, коррозийной стойкости или придания каких-либо других свойств поверхностным слоям изделий применяют химико-термическую обработку. Она заключается в нагреве и диффузионном насыщении поверхностных слоев сталей (деталей) различными элементами: углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом вместе (цианирование или нитроцементация), хромом (хромирование) и т.д.

При химико-термической обработке происходит изменение химического состава, структуры, а следовательно, и свойств поверхностных слоев.

Наиболее широко в машиностроении, в том числе сельскохозяйственном, применяют цементацию и азотирование.

Цементации обычно подвергаются детали, поверхности которых несут значительные удельные нагрузки (работающие на истирание) и одновременно динамические нагрузки (изгибы, растяжение, кручение). К таким деталям, например, относятся шестерни, зубчатые передачи, поршневые пальцы, оси, валы и т.п.

Для цементации применяются низкоуглеродистые стали (0,15... 0,25 % С), у которых при насыщении углеродом (с последующей закалкой) получается высокая твердость, износостойкость в поверхностных слоях, а сердцевина изделий остается вязкой, мягкой. К цементируемым сталям относятся марки: 15, 20, 25, 15Х, 20Х, 12ХН3А, 18ХНВА, 18ХГТ и т.д.

При химико-термической обработке происходит диффузионный процесс внедрения атомов насыщающей среды в кристаллическую решетку основного металла. В частности, при цементации идет диффузионное внедрение атомов углерода в решетку .

Осуществляется этот процесс путем длительной выдержки стали при температуре (930...950) ⁰С в среде, содержащей активные атомы углерода, называемой карбюризатором (древесный уголь, природные газы и т.д.). Выбор такой температуры цементации обусловлен необходимостью получения у стали аустенитного состояния, в котором происходит растворение атомов углерода до концентрации (1…1,2) % (диаграмма Fe – Fe₃С, линия SE).

Глубина цементованного слоя зависит от времени цементации:

,

где y – глубина слоя, мм;

k – коэффициент, постоянный для каждого сплава;

t – время цементации, ч.

Время, требуемое для получения цементованного слоя, зависит от вида цементации и находится в пределах от 3 до 30 часов.

Глубина цементованного слоя в изделиях (0,5…2,5) мм; чем больше удельные нагрузки, тем толще должен быть слой.

Структура цементуемой стали в исходном состоянии представляет собой феррит с небольшим количеством перлита.

В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое достигает (1…1,2) % и постепенно уменьшается по мере удаления от поверхности вглубь до исходного содержания его в стали. Таким образом, структура цементованного слоя (рис.12.1.) будет изменяться от заэвтектоидной зоны на самой поверхности (П + Ц_II), к эвтектоидной (П) и затем переходной зоне (П+Ф), и чем ближе к сердцевине, тем феррита будет больше, а перлита – меньше.

Рис. 12.1. Микроструктура цементованного слоя (´ 600)

За глубину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до слоя, содержащего 50 % феррита и 50 % перлита.