Химико-термическая обработка

ХТО – процесс поверхностного насыщения материалов различными элементами для придания ей соответствующих свойств.

От других видов ТО она отличается тем, что кроме структурных изменений в ее поверхностном слое происходит изменение состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах.

Основная цель ХТО: упрочнение поверхности детали, повышение твердости, износостойкости, а также повышение стойкости против агрессивных сред.

К процессам ХТО относятся цементация, азотирование, цианирование, металлизация (хромирование, алитирование, силицирование и т. д.).

Механизм ХТО характеризуется 4-мя одновременно протекающими процессами:

1. Диссоциация заключается в распаде молекул и образовании активных атомов.

Степень распада молекул в процентах называется степенью диссоциации.

1. Адсорбция. Представляет собой взаимодействие на границе газ-металл с проникновением активного элемента в решетку металла.
2. Диффузия заключается в проникновении насыщаемого элемента в глубь металла.
3. Десорбция. Уход с поверхности продуктов реакции во внешнюю среду.

Виды ХТО:

Цементация – процесс насыщения поверхности углеродом.

Цель: придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием С не более 0,25%.

Температура цементации – 900 – 970˚С 0,1-3,4 мм.

Чем выше температура, тем больше толщина слоя, которая растет со временем по параболическому закону.

В поверхностном слое содержание углерода от 0,8 до … %С. Далее происходит охрупчивание. Цементацию проводят в твердых, жидких и газообразных средах, которые называются карбюризаторами.

Твердый карбюризатор состоит из древесного угля с добавками от 10-30% BaCO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃.

Процесс длится несколько часов. Газовый карбюризатор – СО и предельные углеводороды с общей формулой СN, H₂N, пары бензола …

Жидкие карбюризаторы – смесь цианистых солей и буры.

Применяют для получения тонких цементированных слоев с …

Структура цементированного слоя такова, что поверхностные слои имеют структуру перлит+цементит. Затем зона перлита. Феррит+перлит (доэвтектоидная сталь), которая затем постепенно переходит в сердцевину.

После цементации ТО.

Строение цемент-ого слоя.

Цементации подвергают детали, которые работают в условиях переменных нагрузок, в условиях износа (зубчатые колеса, шестерни, втулки, поршневые кольца)

• Азотирование – процесс насыщения стали (мет-ов) азотом.

Цель азотирования – придание поверхности высокой твердости, износостойкости, устойчивости против коррозии, повышение прочности.

Газовое азотирование заключается в возд-ии на сталь аммиака при температурах 500-600˚С.

Атомарный азот, который образуется на поверхности, образует с составляющими стали нитриды с высокой твердостью.

Толщина слоя 0,25-0,75 мм.

Азотированию подвергают в основном легированные стали.

Азотирование в жидких средах производится при температурах …-…˚С в расплавленных цианистых солях. Толщина 150 микрон.

Жидкое азотирование повышает сопротивление износу и предел выносливости.

Недостаток: токсичность и высокая стоимость.

Изготавливают детали автомобилей, штампы пресоформ.

Цианирование – процесс насыщения поверхности одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при температурах 820 – 950˚С.

Толщина слоев 150-350 микрон, максимально 2000 микрон.

После цианирования проводят ТО, закалку и н. отпуск.

Недостаток – токсичность цианистых солей.

Нитроцементация представляет собой процесс … поверхностного слоя одновременно азотом и кислородом в газовой среде следующего состава: N₂ – 20%, H₂ – 40%, CO – 20% при температуре 850 – 870˚С в течении 4-х – 10 часов.

Цель – повышение износостойкости, твердости, коррозионной стойкости.

После закалки и низкого отпуска толщина составляет 0,2 – 0,8 мм.

Широко применяется в автомобилестроении и тракторостроении.

По сравнению с цементацией более низкие температуры процесса.

Металлизация.

1) Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистых сталей бором при температурах 850 – 950˚С в течении 2 – 6 часов.

Поверхностный слой состоит из боридов металлов. Толщина слоя 0,1 – 0,2 мм.

Применяют для повышения твердости, коррозионной стойкости, упрочнения штампов, пресформ и т.д.

2) Силицирование. Насыщение поверхностей изделий кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, износостойкости при Т=900 – 1000˚С.

Применяют для роторов, клапанов, вкладышей подшипников, труб судовых механизмов и т.д.

3) Алитирование. Процесс насыщения поверхностного слоя алюминия для повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости стали, чугунов, медных сплавов.

Алитирование производится как в порошкообразных смесях, так и в ваннах с расплавленным алюминием в газовых средах и распылением жидкого алюминия. На поверхности образутся плотная пленка Al₂O₃, которая предохраняет изделие от окисления.

Температура алитирования 950-1050˚С. Время 3-12 ч.

Толщина слоя 0,3-0,8 мм.

Изготавливают чехлы термопар, ковши, клапана и т.д.

Вакуумное алитирование, которое позволяет получать зеркальную поверхность высокой чистоты.

4) хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом.

При этом повышается коррозионная стойкость, твердость, износостойкость. Проводят обычно в порошковых смесях хрома или ферро-хрома.

Т=1000 – 1050˚С. Время 6-12 ч. Толщина 0,2 мм=200 микрон.

Хромируют низкоуглеродистые стали.

Содержание хрома в углеродистых сталях 30-40%.

CrFe₇C₃

Хромируют клапана компрессоров, матрицы штампов.

5) Цинкование. Наиболее широко применяется в технике жилого строительства.

Используется в основном жидкостное цинкование.

Цинковое покрытие хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде.

Толщина – 6-40 микрон.

Оцинкованные …