Цементация. Химико-термическая обработка (ХТО)

Металлических материалов

Химико-термическая обработка (ХТО)

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.

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.