Химико-термическая обработка стали

Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т. д.

Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка — только структуру.

Вместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности.

Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:

1. Диссоциация — выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО СО_а + С; 2МН₃ * ЗН₂ + 2М и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.

2. Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения

3. Диффузия — проникновение насыщающего элемента в глубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, М), чем твердых растворов замещения (А1, Сг, 81). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.

Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.

Диффузионное насыщение поверхностного слоя детали проводят различными элементами.

Различают следующие виды химикотермимческой обработки: цементацию, азотирование, цианирование и т.д.

Цементация

Это насыщение поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Это повышает износостойкость и увеличивает твёрдость при сохранении вязкой сердцевины.

Цементация может осуществляться в твёрдой, жидкой и газовой средах. Среда, в которой происходит цементация, называется карбюризатором.

Карбюризаторами могут быть древесный уголь, расплавленные соли. Процесс цементации происходит при температуре 920-1000⁰ С, (выше А_с3). Длительность процесса устанавливают в зависимости от глубины, на которую необходимо цементировать поверхностный слой.

При твердом карбюризаторе за час поверхность насыщается углеродом

до 0, 1 мм.

Азотирование

Это процесс насыщения поверхности изделия азотом, при температуре 500- 700⁰ С. Азотирование происходит в герметичных печах, в которой есть аммиак. При нагреве он разлагается с образованием атомарного азота, который диффундирует в поверхностные слои детали.

Азотируют, главным образом, легированные стали, содержащие титан и алюминий. При азотировании с температурой 500-550⁰ С азот образует химическое соединение нитриды. Поверхности имеют большую твердость. Недостаток азотирования - длительность процесса (90 часов).

Азотируют цилиндры, зубчатые колеса, штампы и т.д.