Химико-термическая обработка

В зависимости от требований, предъявляемых к детали, иногда возникает необходимость изменения химического состава не на всей детали целиком, а только ее поверхностного слоя или отдельных участков этого слоя.

Например, зуб шестерни должен иметь высокую твердость рабочей поверхности. В то же время центральная зона должна сохранять пластичность и вязкость. Только при таком сочетании свойств по сечению зуба шестерни будет обеспечена долговечность. Для выполнения этого условия в качестве материала шестерни применяется сталь с малым содержанием углерода. В поверхностном же слое содержание углерода повышается в результате использования специальных технологических приемов. После дополнительной обработки и этот слой приобретает нужную твердость.

Процесс насыщения поверхностного слоя металла каким-либо элементом за счет диффузии его из внешней среды при высокой температуре называется химико-термической обработкой (ХТО).

Разновидностями ХТО являются цементация, азотирование, нитроцементация, борирование, хромирование, алитирование и др. Для увеличения твердости поверхности, износостойкости, задиростойкости, контактной выносливости и изгибной усталостной прочности применяют цементацию, азотирование, нитроцементацию; для повышения сопротивления абразивному изнашиванию – борирование и хромирование; для защиты поверхности деталей от коррозии при комнатной и повышенной температурах в различных агрессивных средах – алитирование, хромирование, силицирование и т. д.

Основными элементарными процессами любого вида ХТО являются:

1 . Диссоциация - распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента. Например, диссоциация окиси углерода

2СОСО₂ + С или аммиака 2HN₃3H₂ + 2N.

2. Адсорбция, т.е. контактирования атомов дифференцирующего элемента с поверхностью стального изделия и образование химических связей с атомами металлов.

3. Диффузия, т.е. проникновение насыщенного элемента в глубь металла.

Различают следующие виды ХТО: цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию) и др.

Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя металла в углеродсодержащей среде (карбюризаторе) при нагреве до 930 - 950^оС. Существует два основных вида цементации: в газовой и твердой средах. Газовая цементация (рис. 77) является основным процессом массового производства. Она проходит быстрее, чем твердая, т.к. не требует времени на прогрев ящика и карбюризатора. Слой толщиной 1 мм образуется за 6 - 7 ч.

Твердая цементация производится в специальных ящиках, куда детали укладываются вместе с карбюризатором. В течение 8 - 10 ч. образуется слой толщиной около 1 мм.

Глубину цементации контролируют по куску стали, имеющей такой же химический состав. Этот кусок, называемый «свидетелем», закладывают в цементационный ящик. Контрольный кусок можно подвергнуть такой же ТО, разрезать и исследовать результаты цементации.

После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали, поэтому детали после ХТО подвергают закалке с низким отпуском.

Азотирование - насыщение поверхности стали азотом в среде аммиака при температуре 480 – 650 С. При этих температурах по реакции: 2NH₃2N + 3H₂ выделяется азот, который диффундирует в поверхностные слои металла.

Азотирование применяют для среднеуглеродистых сталей, содержащих хром, вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, с которыми азот образует устойчивые нитриды с приданием азотированного слоя высокой твердости.

Перед азотированием детали подвергают закалке и высокотемпературному отпуску, т. е. улучшению.

В XVIII веке на железоделательных заводах Урала возник способ закалки «скотинным рогом с солью», позволявший получать металл весьма высокого качества. Изготовленные таким способом топоры, ножи или сабли подолгу не теряли свою остроту да и к тому же не знали ржавчины.

Суть дела была не в самой закалке, а в предшествовавшем ей длительном томлении стали, полученной в кричных горнах. Вместе с рогами и солью стальные изделия укладывали в специальные ящики-тигли и выдерживали в особых печах при высоких температурах без доступа воздуха. Затем обработанную таким образом сталь подвергали обычной закалке.

Что происходило при совместном пребывании железа со «скотинным рогом» в томильных ящиках, никто тогда не знал. А происходило не что иное, как азотирование стали.

Т ак, почти за два столетия до открытия и научной разработки технологии азотирования уральские металлурги широко пользовались этим надежным способом повышения износостойкости и коррозионной стойкости стальных изделий.

По сравнению с цементацией азотирование имеет следующие преимущества: более высокие твердость, износостойкость поверхностного слоя и коррозионные свойства. Кроме того, после азотирования не требуется закалка.

Недостатком является более высокая длительность процесса. Используется для ответственных деталей из легированных сталей, к качеству поверхностного слоя которых предъявляются повышенные требования (зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы и др.).

Цианирование (нитроцементация) – процесс одновременного насыщения поверхности деталей азотом и углеродом. Нагрев производится либо в расплавленных цианистых слоях (NaCN, KCN), либо в газовой среде, состоящей из смеси СН₄ и NH₃.

После цианирования детали охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск (рис. 79). Чем больше требуется глубина цианируемого слоя, тем больше время цианирования. Преимущества глубокого цианирования: меньше деформация, выше износостойкость, усталостная прочность. Недостатком является высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей.