Химико-термическая обработка сплавов.

Химико – термическая обработка – технологический процесс, сочетающий термическое воздействие с изменением химического состава поверхностного слоя детали. Технология ХТО состоит в нагреве деталей в специальных активных атмосферах (твердых, жидких, газообразных), т.е. в атмосферах с повышенной концентрацией элемента, изменяющего химический состав поверхностного (приповерхностного) слоя.

Существуют две разновидности ХТО:

1. Диффузионное насыщение сталей и сплавов элементами-металлоидами с меньшим размером атома, чем металл-основа (железо, титан и др.): углеродом, азотом, бором. При этом слой, обогащенный данными элементами, располагается в глубь от поверхности («внутри сплава») (рис. 2.32).

2. Диффузионное насыщение сталей и сплавов металлами: алитирование (Al), хромирование (Cr), цинкование (Zn) и другими элементами. При этом слой, обогащенный данными элементами, располагается на поверхности, образуя покрытие, и частично проникает внутрь металла (рис.2.33).

Рис. 2.32. Химико-термическая обработка сплавов металлоидами

Рис. 2.33. Химико - термической обработка сплавов металлами

Хто с диффузионным насыщением углеродом и азотом

Цементация – вид ХТО, при котором производится диффузионное насыщение поверхностного слоя металла (сплава) углеродом.

Целью обработки является повышение твердости, износостойкости (при хорошем сопротивлении ударным нагрузкам), сопротивления циклическим нагрузкам, циклическим контактным нагрузкам. При этом сохраняется пластичная и вязкая сердцевина детали, что обеспечивает работоспособность в сложных условиях нагружения (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Свойства цементованной стальной детали, обеспечивающие сопротивление различным видам нагрузок

Процесс цементации проводят на сталях, содержащих 0,08 - 0,25 % С; это могут быть как углеродистые стали, так и легированные. В результате цементации концентрация углерода в поверхностном слое возрастает до 0,8 - 1,4 % С.

Наиболее распространенные детали, к которым применяется ХТО, это зубчатые колеса, пары трения, кулачки, опоры валов под посадку подшипников.

При химико-термической обработке к параметрам, необходимым любому процессу термообработки, – температуре, времени выдержки, скорости охлаждения, добавляется еще один – среда насыщения (или активность среды насыщения).

Нагрев цементуемых деталей проводится в аустенитной области при температурах 900 - 1000ºС.

Время выдержки зависит от марки стали и от той толщины слоя, который необходимо получить для данной детали. Так, например, на низкоуглеродистых сталях для получения науглероженного слоя глубиной 2 мм при температуре 900 ºС требуется 16 часов, при температуре 950ºС – 10 часов.

Насыщающая среда при цементации называется карбюризатором. Карбюризатор может быть твердым, жидким, газообразным.

При этом цементация всегда протекает через газовую фазу. В насыщающей среде протекают следующие реакции:

В твердой фазе:

ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО.

На поверхности детали протекает ведущая реакция:

2СО → СО₂ + С.

При газовой цементации используется в качестве карбюризатора природный газ (основная часть его – метан), и реакция имеет следующий вид:

СН₄ → 2Н₂ + С.

В ряде случаев исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде. Углерод в виде ионов переносится на насыщаемую поверхность, адсорбируется на ней. Проникновение ионов углерода в глубь детали, т.е. диффузионное насыщение, происходит в аустенитной области. Скорость охлаждения после выдержки при температуре цементации замедленная, с печью. Таким образом, после цементации сталь имеет структуру отжига. После цементации проводят закалку и низкий отпуск. Поверхность детали, которая должна сопротивляться износу и контактным нагрузкам, состоит из высокоуглеродистого мартенсита отпуска и частиц цементита. Толщина упрочненного слоя после цементации составляет 1,5 – 2 мм (но может достигать и 6 мм).

«Двухслойная» структура всей цементованной детали – высокоуглеродистый мартенсит на поверхности и малоуглеродистый мартенсит в сердцевине, различные удельные объемы этих составляющих – обуславливает возникновение сжимающих напряжений в поверхностном слое, которые благоприятны для работы деталей в условиях циклических нагрузок.

Азотирование – процесс насыщения сплавов азотом из газовых сред.

Технология процесса азотирования (температуры, продолжительность), а также сопутствующая термическая и механическая обработки, химический состав применяемых сталей и окончательные свойства отличаются от процесса цементации. Азотирование применяется для сталей, содержащих более сильные нитридообразующие элементы, чем железо: хром, молибден, алюминий. Такими сталями являются низко - и среднеуглеродистые легированные стали марок 38ХМЮА, 20Х2Н4ВА, 30Х3ВА и др.

Азотирование проводят в среде аммиака, который при нагреве диссоциирует в соответствии с реакцией:

2NH₃ → N₂ + 3H₂.

Нагрев проводится в α - области при температурах 500 - 600ºС. Поскольку эти температуры находятся в интервале температур отпуска или старения (для ряда сталей), то процесс насыщения может быть совмещен с термообработкой. Длительность составляет 24 - 60 часов (из-за пониженной по сравнению с цементацией температуры насыщения).

Азотирование является более дорогим процессом, чем цементация, из-за повышенной длительности процесса. Его применяют для ответственных деталей – коленчатых валов, гильз цилиндров, червяков, для деталей сложной формы и тонких сечений, которые не подвергаются последующему шлифованию.

Недостатки: большая длительность процесса, более низкие контактные нагрузки, чем для цементованных деталей, из-за меньшей толщины упрочненного слоя.

Современным прогрессивным способом азотирования является ионное азотирование. Его проводят в специальных установках, в которых детали являются катодом, стенки вакуумной камеры – анодом. В разреженной атмосфере чистого азота при давлении 500 – 1300 Па и напряжении 300 - 800 В возбуждается тлеющий разряд и при этом происходит ионизация азота. Преимущества ионного азотирования состоят в экономичности, хорошей управляемости процессом, применимости не только к легированным, но и к высоколегированным (коррозионностойким) сталям, высокой производительности.