Химико-термическая обработка (ХТО)

Металлических материалов

Химико-термическая обработка (поверхностное легирование) – термическая обработка, сочетающая термическое и химическое воздействие для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов.

Основная цель – упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности, повышение стойкости против воздействия агрессивных сред.

Химико-термическая обработка сводится к диффузионному насыщению (легированию) поверхностного слоя неметаллами (C – цементация, N – азотирование, B – борирование, Si – силицирование…) или металлами (Cr – хромирование, Al – алитирование…) в процессе выдержки при определенной температуре в активной среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии.

Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

Взаимодействие металла и насыщающей среды происходит на поверхности нагретого металла.

ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами:

1. Диссоциация – распад молекул и образование диффундирующего элемента в атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ

2СОÛСО₂+С (атомарный); 2NН₃Û3Н₂+2N (атомарный)

2. Абсорбция – захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента, взаимодействие атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия.

3. Диффузия – это проникновение насыщающего элемента в глубь металла, т.е. перемещение абсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. При этом концентрация диффундирующего элемента уменьшается в глубь металла, и как следствие этого изменяется структура и свойства.

Цементация

Это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом.

Цель – получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной для деталей, работающих под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа.

В тех случаях, когда цементации подвергается только часть детали, остальные участки защищают либо специальными огнеупорными обмазками, либо тонким слоем (20-40 мкм) меди, нанесенным электролитическим способом.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (не более 0,25 %), так называемые цементуемые стали (10, 15, 20, 15Х, 20Х, 15ХВ, 20ХН, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 18ХГТ). На поверхности стали после цементации концентрация углерода достигает 1,0 %.

Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.

В качестве твердого карбюризатора применяют древесный уголь в смеси с другими компонентами - активизаторами (ВаСО₃ или Nа₂СО₃). В течение 8-10 часов образуется слой толщиной 1 мм.

Жидкие карбюризаторы (смесь цианистого калия с бурой, содой и др. веществами) применяют в тех случаях, когда нужно получить тонкий цементованный слой с высоким содержанием углерода.

Газовую цементацию проводят в атмосфере метана, керосина, бензола и др. В основном используют два вида цементации: в твердой и газовой среде. слой толщиной 1 мм образуется за 6-7 часов.

При этом производят нагрев до 910-950°С с определенной выдержкой при этой температуре (в зависимости от типа карбюризатора и требуемой толщины слоя).

Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.

Эти обстоятельства необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки, целью которой является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины. В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки.

	Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском. Использование подстуживания при закалке до 750-800°С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.
При более высоких требованиях к структуре детали после цементации подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с нагрева выше Ас3 и низкому отпуску. При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, т.к. оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей – это нагрев выше Ас1, но ниже Асm.
Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском. При первой закалке с температуры на 30-50°С происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна. Одновременно цементитная сетка в поверхностном слое растворяется. При второй закалке с температуры выше Ас1 на 30-50°С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое

Твердость поверхности готовой детали должна составлять около 58-62 HRC, а сердцевины - около 20-40 HRC. Твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200-250°С.

Азотирование

Это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей азотом.

Цель – создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере.

Азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали типа 38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю6, 3Х2В8, 5ХНМ. Образующиеся нитриды железа не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего - хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали этими элементами твердость азотированного слоя достигает по Виккерсу 1200 HV, в то время как после цементации твердость составляет около 900 HV.

Азотированию подвергают обычно готовые изделия, прошедшие чистовую механическую и окончательную термическую обработку. Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10-15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла.

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску 600-675°С (улучшению), температура которого выше максимальной температуры азотирования. В таком случае при азотировании в сердцевине сохраняется структура сорбита (полученная в процессе улучшения), которая имеет высокую прочность и вязкость. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали.

Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере аммиака при 500-600°С, который при нагреве разлагается на азот и водород: NH₃ ® 3H + N. Образовавшийся свободный азот, находящийся в атомарном состоянии, проникает в решетку a-железа, диффундирует и образует с элементами, входящими в ее состав (Fe, Cr, Al и др.) различные нитриды, обладающие высокой твердостью (до 70 HRC).

Толщина азотированного слоя составляет 0,25-0,75 мм.

Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Азотированный слой сохраняет свою твердость до 400-600°С.