Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Например, 2NH₃ → 2N +3H₂.

Адсорбция– захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Цементация стали— химико-термическая обработка поверх­ностным насыщением малоуглеродистой (С < 0,2 %) или легирован­ных сталей при температурах 900...950°С — твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 870...900°С — газообразным (газо­вая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки — повы­шение твердости, износостойкости и пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Азотирование стали— химико-термическая обработка по­верхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до 600...650°С в атмосфере аммиака NH₃. Азотиро­ванные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с Fe, Al, Cr и другими элементами, обладаю­щие большей твердостью, чем карбиды) и повышенной сопротивляе­мостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др.

Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отли­ве от цементованных, до сравнительно высоких температур (500...520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров и др.

Нитроцементация (цианирование) стали— химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с по­следующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррози­онной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840...860 ^оС — нитроцианирование, и в жидкой при температуре 820...950°С — жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих груп­пу NaCN.

Нитроцементация эффективна для инструментальных (в част­ности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей слож­ной конфигурации, склонных к короблению. Однако в настоящее время применяется только нитроцианирование, поскольку процесс жидкостного цианирования связан с использованием токсичных циа­нистых солей.

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: бором, цинком алюминием, хромом, кремнием, и др.

Борирование стали— химико-термическая обработка насыще­нием поверхностных слоев стальных изделий бором при температу­рах 900...950 °С. Цель борирования — повышение твердости, износо­стойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузи­онный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fe₂B, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особен­но эффективно для повышения стойкости (в 2... 10 раз) бурового и штампового инструментов.

Цинкование (Zn), алитирование (А1), хромирование (Сг), силицирование (Si) сталейвыполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее вре­мя все большее распространение получают процессы многокомпо­нентного диффузионного насыщения.