30. Химико-термическая обработка. Твердая и газовая цементация (науглероживание).

30.1. Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:

• однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом;борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием;

• многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)

В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.

При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:

1. реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента);

2. диффузия в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава;

3. процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев - удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду;

4. диффузия в насыщаемом сплаве;

5. реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т.д.).

Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО.

Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав, то есть содержание тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

ХТО применяют с целью:

• поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.);

• сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;

• придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);

• придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);

• облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).

30.2. Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 900-950 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При "ускоренном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией металла

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующаятермическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.