Химико-термическая обработка. Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей. Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой или газообразной), в которой осуществляют нагрев. Основные параметры ХТО - температура нагрева и продолжи­тельность выдержки. Основные процессы любого вида ХТО^ диссоциа­ция, абсорбция, диффузия.

Д и с с о ц и а ц и я - получение насыщающего элемента в более активном, атомарном состоянии:

А б с о р б ц и я - захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Д и ф ф у з и я - перемещение захваченного поверхностью атома в глубь изделия.

Скорости всех трех процессов обязательно должны быть согласованы.

ХТО является основным способом поверхностного упрочнения деталей. Основными видами ХТО является цементация (науглерожива­ние), азотирование, цианирование (совместное насыщение углеродом и азотом) и диффузионная металлизация (насыщение поверхности алюминием, кремнием и т.д.).

При цементации изделия нагревают в среде, легко отдающей углерод. Цементации подвергают, как правило, стали с низким содержанием углерода (0,1-0,2% С). Глубина цементированно­го слоя обычно составляет 1-2 мм, но может быть и больше, Степень цементации - это средние содержание углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2%).

После цементации изделия подвергают закалке с низким отпуском Это обеспечивает получение в поверхностном слое изделий высокой твердости при сохранении мягкой вязкой сердцевины. На поверхности после цементации возникают напряжения сжатия, увеличивающие пре­дел выносливости и долговечность деталей. Цементацию проводят в твердом (древесный уголь, сода), жидком (расплавленные цианис­тые соли – Na₂CO₃ + NaCl с 6-10% карбидом кремния) и газообраз­ном (метан, керосиновый газ и др.) карбюризаторах.

При газовой цементации детали нагревают в герметичных печах в атмосфере углеродосодержащих газов. Процесс осуществляется за 8-12 ч. при скорости 0,1 мм за Iчас выдержки.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия помещают в металлические ящики, пересыпая их смесью древесного угля с активизаторами (BaCO₃ , NaCO₃). Ящики закрывают крышками и поме­щают в печь, где нагревают до 900-960 °С.

Газовая цементация является более дешевым и производительным процессом, чем твердая, легче поддается автоматизации и контролю.

После цементации и термической обработки твердость поверх­ностных слоев составляет HRC60…63. Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, оси и другие детали, иногда значительных размеров.

Азотированием называется химико-термическая обработка, при котором поверхностный слой детали насыщается азо­том. При этом увеличивается не только твердость и износостой­кость, но также повышается и коррозионная стойкость. При азоти­ровании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак с определенной скоростью, диссоциирующий при нагреве на азот и водород. Атомарный азот, имеющий высокую активность, поглощается поверхностью и диффундирует в глубь детали.

В зависимости от условий работы деталей различают две разно­видности азотирования: для повышения поверхностной твердости и износостойкости ("твердостное" азотирование) и для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае детали азотируют при 500-520°С, процессе продолжается от 24 до 90 часов (скорость азотирования - 0,01 мм в Iч.). Содержание азота в поверхностном слое достигает 10-12%, толщина слоя - 0,3-0,6 мм.

Антикоррозионную азотированию подвергают стали всех марок. В этом случае азотирование проводят при 650-700°С. Продолжитель­ность процесса на несколько часов меньше.

Азотирование - окончательная, завершающая операция при из­готовлении детали. Детали подвергают азотированию после оконча­тельной механической и термической обработок: закалки с высоким отпуском. Азотированные детали имеют серый цвет. Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, шестерни, прессформы для литья под давлением, штампы, пуансоны и т.д.

Сравнивая цианирование и азотирование можно отметить, что твердость цементованного, слоя в 1,5-2 раза меньше азотированно­го и сохраняется при нагреве только до 180С, в то время как азотированный слой сохраняет твердость до 600-650°С.

Цианированием называют химико-термическую обработку, при которой поверхность насыщается одновременно, угле­родом и азотом. Планированный слой обладает высокой твердостью, сопротивлением износу. Повышаются также усталостная прочность и корррзионная стойкость. Совместная диффузия углерода и азота проис­ходит быстрее, чем каждого из этих элементов в отдельности, поэтому продолжительность цианирования 0,5-2 ч. Цианирование бывает высокотемпературным при 800-950°С и низкотемпературным при 540-560°С. Цианирование обычно проводится в жидкой или газо­вой средах. Главный недостаток жидкостного цианирования - ядо­витость цианистых солей.

Диффузионная металлизация, при которой поверхность стальных деталей насыщается различными элементами (алитирование, силицирование, борирование и др.), повышает жаропрочность, износостойкость, коррозионную стойкость.