Химико-термическая обработка.

Химико-термическая обработка (ХТО) – это насыщение поверхности стального изделия тем или иным элементом путем диффузии его из внешней среды. ХТО применяют для повышения коррозионной стойкости, поверхностной твердости и износостойкости деталей.

По диффундирующему веществу различают такие виды насыщения как:

· цементация – углеродом;

· нитроцементация – углеродом и азотом одновременно;

· азотирование – азотом;

· борирование – бором;

· силицирование – кремнием;

· алитирование – алюминием;

· хромирование – хромом.

Способами диффузионного насыщения являются: погружение в расплав, насыщение из расплавленных солей (с электролизом или без него), насыщение из сублимированной фазы (путем испарения или из газовой фазы).

ХТО возможна в том случае, если диффундирующий элемент с железом образует твердые растворы, желательно внедрения (тогда насыщение идет быстрее).

Одним из самых распространённых способов химико-термической обработки является цементация и азотирование.

Цементация. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали, с содержанием углерода 0,1…0,3%, с целью сохранить вязкость сердцевины изделия. После цементации концентрация углерода на поверхности детали повышается до 0,8…1,1%, что обеспечивает после закалки (структура – мартенсит) высокую твердость и износостойкость. Цементации подвергают небольшие шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др. Те участки поверхности, которые не подлежат цементации, защищают тонким слоем меди (0,02…0,04 мм), который наносится электролитически.

При температуре до 910 ⁰С проводить цементацию не имеет смысла, так как расторимость углерода в феррите очень небольшая – до 0,025% (см. диаграмму железо-цементит) и эффект повышения твердости тоже небольшой. При температуре более 910 ⁰С растворимость углерода в аустените большая – до 2,14%, и эффект повышения твердость тоже увеличивается. Поэтому цементации проводят при температурах 910…950 ⁰С, когда зерно аустенита еще некрупное.

После медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно выделить три зоны: 1) поверхностный слой заэвтектоидной зоны (углерода 0,8…1,1%), состоящий из перлита и вторичного цементита (по границам зерен); 2) эвтектоидная зона (углерода 0,8%), состоящая из пластинчатого перлита; 3) доэвтектоидная зона (углерода от 0,8% до исходной концентрации его в стали), состоящая из избыточного феррита и перлита, концентрация которого уменьшается по мере приближения к сердцевине детали (до исходного в стали).

После цементации выполняют закалку (для измельчения зерна и растворения хрупкой сетки вторичного цементита) и низкий отпуск (для снятия внутренних напряжений).

Азотирование. Целями азотирования являются: повышение поверхностной твердости и износостойкости; повышение коррозионной стойкости в различных средах. Повышенная твердость азотированного слоя сохраняется до температуры 600…650 ⁰С, а цементированного – до 200 ⁰С. После азотирования концентрация углерода составляет 10…11%, выше нежелательно, так как слой будет слишком хрупким.

Наличие углерода на процесс азотирования сталей принципиального влияния не оказывает, однако на базе нитридов железа образуются твердые растворы не только азота, но и углерода, которые называются карбонитридами. Твердость и износостойкость повышают только легированных сталей с содержанием углерода 0,3…0,5%. Углеродистые стали не применяют, так карбонитриды железа мягкие. Карбонитриды легирующих элементов, особенно хрома, молибдена, вольфрама, алюминия и др. обладают высокой твердостью.

Чем выше температура азотирования, тем твердость слоя ниже, за счет укрупнения карбонитридов. Поэтому азотирование ведут на крайнем нижнем пределе по температуре – 480…550 ⁰С.

Если нужно повысить коррозионную стойкость, то можно азотировать любые стали – углеродистые и легированные, при температуре 600…700 ⁰С.