Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств. Химико-термическая обработка получила наибольшее распространение, как метод упрочнения поверхностей из-за простоты, доступности и высокой эффективности. Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структурных изменений происходят изменения состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах. Основная цель - упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности и повышение стойкости против воздействия агрессивных сред. Толщина упрочненного слоя может превышать 2 мм.

К процессам ХТО относятся цементация, азотирование, цианирование, алитирование, хромирование, силицирование, борирование и др.

ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами. Первый процесс - диссоциация - заключается в распаде молекул и образовании диффундирующего элемента в атомарном состоянии. Второй процесс, называемый абсорбцией, представляет собой взаимодействие атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия и проникновение их в решетку железа. Третий процесс – диффузия - заключается в проникновении атомов насыщенного элемента в глубь металла.

Рассмотрим кратко некоторые виды ХТО.

Цементация – процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цель цементации - придание поверхности твердости при сохранении мягкой сердцевины. Обычно цементации подвергают детали из низкоуглеродистой стали, содержащей не более 0,25 % С (сталь марок 10, 15, 20, А 12, 15Х, 25ХГМ и др.), работающие в условиях переменных ударных нагрузок и подвергающиеся износу, например зубья зубчатых колес, шестерни, втулки, поршневые пальцы и т. д. Цементация осуществляется в твердом (древесный уголь), жидком (расплавы солей) и газообразном (углеводороды) карбюризаторах. Температура цементация 900...970°С. Толщина цементованного слоя от 0,1 до 3...4 мм. Процесс протекает медленно: скорость науглероживания порядка 0,1 мм/ч. Однако, если повысить температуру до 950…980 °С, процесс существенно ускоряется. Наиболее эффективна газовая цементация с нагревом детали токами высокой частоты.

Азотирование – процесс насыщения стали азотом. Цель азотирования - придать поверхности высокую твердость, износостойкость, устойчивость против коррозии и усталостную прочность. Процесс заключается в воздействии на сталь аммиака (газовое азотирование) при температуре 500...600°С. Легирующие элементы, входящие в состав стали (Cr, Mo, V, Al), образуют с азотом стойкие нитриды, обладающие высокой твердостью (до НRС 70). Азотированный слой сохраняет свою твердость до 400...600°С, в то время как твердость цементированного слоя с мартенситной структурой сохраняется лишь до 200...250°С. Толщина азотированного слоя 0,25...0,75 мм. Азотированию подвергают коленвалы, цилиндры, поршневые кольца, седла клапанов, зубья шестерен. Недостатком метода является увеличение деталей в размере и коробление. Поэтому азотированные элементы деталей подвергают окончательной обработке в виде полирования или шлифования.

Цианированием – насыщение поверхности изделий одновременно углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях при температуре 820...950°С.

Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование. При низкотемпературном цианировании детали нагревают до 820...860 °С в расплавленных солях, содержащих МаСМ, в течение 0,5…1,5 ч. при этом получают слой толщиной 150...350 мкм. Затем производят закалку с последующим низкотемпературным отпуском (180...200°С). Твердость после термической обработки составляет НRС 58...62. Такой обработке обычно подвергают детали из среднеуглеродистых сталей и инструменты из быстрорежущих сталей.

Для получения более толстого слоя (500...2000 мкм) применяют высокотемпературное цианирование при 930...950°С со временем выдержки 1,5...6 ч. После такой обработки детали охлаждают на воздухе, производят закалку и низкотемпературный отпуск.

Цианированию подвергаются ответственные резьбовые соединения, втулки, зубчатые колеса, вилки механизма коробки передач, ролики, кулачковые пары. Преимущество цианирования перед цементированием и азотированием - большая скорость процесса и более высокий упрочняющий эффект. Недостатком этого процесса является токсичность цианистых солей, что вызывает необходимость проводить работу в специальном помещении с соблюдением мер безопасности.

Нитроцементация представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота (40 %), водорода (40 %) и оксида углерода (20 %) при температуре 850...870 °С в течение 4...10 ч. Назначение – повышение износостойкости, предела выносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости. После закалки и низкого отпуска (160...180°С) твердость поверхностного слоя составляет НRС 58...60 и толщина слоя 0,2...0,8 мм. Твердость и толщина поверхностного слоя зависят от температуры и времени выдержки.

Нитроцементацию широко используют в автомобильном и автотракторном производстве. Нитроцементация имеет определенные преимущества по сравнению с газовой цементацией - более низкая температура процесса, снижение деформации и коробления и др.

Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей (20, 40, 40Х, ЗОХГС и др.) бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей (нефтяное оборудование, штампы, пресс-формы и др.). Процесс проводится при температуре 850...950°С в течение 2...6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1...0,2 мм, твердость его НV 1800...2000.

Дата добавления: 2014-12-26