2.3. Химико-термическая обработка

Цель химико-термической обработки: получить поверхностный слой, обладающий особыми свойствами. Такими свойствами может быть высокая твердость, износостойкость, жаропрочность, окалино- или коррозионная стойкость.

Нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии поверхностный слой насыщается некоторыми элементами: углеродом, азотом, алюминием, хромом, кремнием и т. д. Диффузия лучше всего протекает, если в процессе химико-термической обработки элемент, которым производится насыщение поверхности, находится в атомарном состоянии.

Процесс протекает в три стадии: диссоциация (распад молекул с образованием атомарного элемента) + адсорбция (взаимодействие с поверхностью и проникновение в кристаллическую решетку) + диффузия (проникновение в глубь металла). В результате диффузии активированный атом элемента проникает в кристаллическую решетку стали и образует твердый раствор или химическое соединение.

Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя деталей из малоуглеродистых сталей (С  0,25 %) углеродом с целью получения путем последующей закалки твердой поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Вещество, обеспечивающее насыщение поверхности углеродом, называется карбюризатором. Используются твёрдые, жидкие и газообразные карбюризаторы. Температура процесса при всех видах цементации t = 900 … 950 С. Продолжительность зависит от требуемой толщины науглероживания и может изменяться в пределах от 2 до 7 часов. Толщина поверхностного слоя с содержанием углерода С = 0,8 … 1,1 % достигает 0,2 … 3 мм. Применяется для деталей, работающих одновременно на истирание и ударную или знакопеременную нагрузку.

Цементация в твёрдом карбюризаторе, которым является древесный уголь, проводится в условиях ремонтного производства. Детали укладываются в металлические ящики и засыпаются древесным углём, в который для активизации обменных реакций, обеспечивающих атомарное состояние углерода, вводятся до 25 % BaCO₃ или Na₂ CO₃.

Газовая цементация производится в условиях серийного и массового производства. Карбюризатором являются природный и др. газы, содержащие углерод. Детали помещают в камеры с температурой 900 ... 930 С, через которые пропускают газ:

CH₄  2H₂ + C (атомарный),

2CO  CO₂ + C (атомарный).

Жидким карбюризатором являются расплавы смеси солей Na₂ CO₃ (75 %) и SiC (10 %), NaCl (15 %). Газовая цементация используется для мелких деталей с малой толщиной науглероживания 0,3…0,5 мм.

После любого вида цементации делают закалку и низкий отпуск с t = 150 ... 170 С, HСR = 60 ... 64.

Азотирование – процесс насыщения азотом с целью получения высокой

твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностного слоя деталей.

Азотируют легированные стали, содержащие Al, Ti, W, V, Mo или Cr, например: 35ХМЮА, 40XHMA, 18XГТ. Для азотирования используют герметические печи, в которые подают аммиак (t = 500 …600 С). При разложении аммиака (2NH₃  2N (атомарный) + 3H₂) образуются нитриды (AlN, MoN, Fe₄N). Время процесса  = 24 ... 60 часов. Толщина слоя зависит от продолжительности процесса и составляет 0,25 ... 0,75 мм. HCR  70, твердость сохраняется до 400 ... 600 С. Заметим, что после азотирования закалка не проводится. Закалка + высокий отпуск (улучшение) могут проводиться перед азотированием как предварительная термообработка для улучшения свойств внутренних объёмов детали.

Преимущества азотирования по сравнению с цементацией: ниже температура, не требуется последующая закалка, твердость значительно выше. Кроме твёрдости увеличивается стойкость против коррозии и сопротивление усталости. Недостаток – большая длительность процесса. Широко применяется для деталей из стали и чугуна.

Имеются виды химико-термической обработки, в которых поверхность одновременно насыщается углеродом и азотом. К ним относится нитроцементация и цианирование.

Нитроцементация – насыщение в газовой среде, содержащей аммиак и природный газ.

Цианирование – насыщение в расплавленных цианистых солях при t = 820 и 950 С.

После нитроцементации и цианирования обязательно проводятся закалка и низкий отпуск.