Химико-термическая обработка

При химико-термической обработке (ХТО) происходит изменение химического состава металла или сплава с поверхности на определенную глубину.

Для изменения химического состава изделие нагревают в активной среде. Во время выдержки изделие диффузионно обогащается элементами из внешней среды.

Можно выделить три одновременно идущих процесса, обеспечивающих обогащение изделия элементами из внешней среды.

1.Образование химического элемента в активированном состоянии. Чаще всего выделение активного автомарного элемента происходит в результате различных реакций.

2.Адсорбация атомов поверхностью изделия. Адсорбация может быть физическая (благодаря действию ван-дервальсовых сил притяжения) или химическая с возникновением сильных химических связей между адсорбируемыми атомами металлической поверхности детали.

3.Диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь изделия.

Первый процесс (создание активной среды) можно регулировать, второй процесс (адсорбация) протекает быстро, а третий процесс (диффузия) – наиболее длительный, от него зависит глубина зоны и распределение в ней насыщающего элемента.

Скорость диффузии в решетке железа различных элементов неодинакова. Если элемент образует с железом раствор внедрения, диффузия протекает намного быстрее, чем в случае образования раствора замещения. Растворы внедрения образуют, например, С, N, а растворы замещения Cr, Al, Si и др.

Кроме того, скорость диффузии сильно зависит от температуры – коэффициент диффузии экспоненциально растет с повышением температуры.

Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности выдержки носит обычно параболический характер, т.е. с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается.

В зависимости от того, каким элементом насыщают поверхностный слой, различают цементацию (насыщение углеродом, азотирование (насыщение азотом), нитроцементацию (комбинированное насыщение углеродом и азотом), диффузионную металлизацию (насыщение хромом, алюминием и др.).

Цементация стали

При цементации осуществляется насыщение углеродом поверхностного слоя изделий из вязкой малоуглеродистой стали с 0,1..0,25% С. На поверхности должно получиться после насыщения 0,8…1% С. После цементации обязательно назначают термическую обработку, в результате которой на поверхности создается структура высокоуглеродистого мартенсита (иногда с карбидами), который обеспечивает высокую твердость, износостойкость и выносливость поверхности при сохранении высокой вязкости сердцевины.

Различают два основных вида цементации: в твердой и газовой средах.

Твердая цементация

Детали укладывают в металлические ящики и пересыпают карбюризатором, который состоит из древесного угля с добавками углекислых солей BaCO₃, Na₂CO₃. Ящик закрывают, щели замазывают огнеупорной глиной, ставят в печь и выдерживают при температуре 900-950⁰С (структура стали должна быть аустенитной, т.к. углерод хорошо растворяется только в Fe , т.е. выше точки Ас₃). За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля:

2С+О₂→2СО

На поверхности детали происходит разложение СО по реакции

2СО→СО₂+С атомарный

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий. Углекислые соли в карбюризаторе активируют процесс, пополняя количество атомарного углерода, например, по схеме:

ВаСО₃→ВаО+СО₂

СО₂+С (уголь)→2СО

2СО→СО₂+С (атомарный)

Глубина цементованного слоя обычно составляет 0,5÷1,5 мм. Цементация в твердом карбюризаторе – малопроизводительный процесс: на каждые 0,1-0,12 мм требуется 1 час выдержки.

Газовая цементация

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором, содержащим метан СН₄ и окись углерода СО. Атомарный углерод выделяется при диссоциации этих газов:

СН₄→2Н₂+С (атомарный)

2СО→СО₂+С (атомарный)

Газовая цементация осуществляется в условиях высокой механизации и автоматизации процесса и является основным способом при массовом производстве. При этом возможно управлять процессом путем поддержания требуемого углеродного потенциала печной атмосферы. Для ускорения процесса иногда стремятся проводить цементацию при более высоких температурах 1000-1050⁰С, что возможно при использовании наследственно-мелкозернистой стали, тогда как для обычной стали такие высокие температуры допускать нельзя из-за сильного роста аустенитного зерна. Кроме того, высокая температура снижает стойкость кладки и жароупорных элементов печи.

После медленного охлаждения с температуры цементации в диффузионном слое наблюдаются три структурные зоны (рис. 9.2), т.к. содержание углерода плавно уменьшается с ~ 1% на поверхности до 0,1-0,2% в сердцевине: от поверхности в глубь детали сначала будет заэвтектоидная зона со структурой П+Ц_П, содержащая углерода > 0,8%; затем эвтектоидная зона со структурой П+Ф, содержащая < 0,8% С.

За глубину цементованного слоя принимается сумма заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зоны.

Рис. 9.2 Структура верхнего слоя цементированной детали