Химико-термическая обработка

ХТО называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

При ХТО происходит поверхностное насыщение стали элементами ( С,N, Al, Cr, SI и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой ,жидкой) при высокой температуре. При ХТО получается большая разность между составом и свойствами поверхностного слоя и сердцевины

ХТО включает три последовательные стадии (элементарные процессы):

1. ДИССОЦИАЦИЯ – распад молекул и образовании активных насыщающих элементов

2. АБСОРБЦИЯ – захват поверхностью металла свободных атомов насыщающегося элемента. .

3. ДИФФУЗИЯ – проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

. ЦЕМЕНТАЦИЯ

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом.

Цель цементации – получение твердой и износостойкой поверхности при сохранении вязкой пластичной сердцевины.

Цементации подвергаются стали, содержащие углерода 0,12-0,23 %

Цементацию проводят при температурах выше критической Ас3 , т.е.920-950 градусов, при которой сталь находится в аустенитном состоянии, растворяющим углерод в больших количествах.

Толщина цементованного слоя от 0,5 до 3 мм

Время выдержки зависит от требуемой толщины цементованного слоя и составляет от 6 до 24 часов.

В зависимости от вида карбюризатора (вещества, содержащего углерод) различают следующие основные виды цементации:

• Твердая –древесный уголь,углекислые соли

• газовая- углеродосодержащие газы

• жидкостная-мазут

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОСЛЕ ЦЕМЕНТАЦИИ

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются после термической обработки, выполненной после цементации. График такой термообработки следующий: нормализация, закалка и низкий отпуск

Нормализация – для уменьшения величины зерна, неизбежно вырастающего в результате нагрева до 950^оС., устранения карбидной сетки цементованного слоя

Закалка – для увеличения твердости поверхностного слоя, 58-62НRCэ, структура – мелкодисперсный мартенсит

Низкий отпуск – снимает внутренние закалочные напряжения и оставляет высокую твердость мартенсита.

АЗОТИРОВАНИЕ

Азотированием называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в атмосфере аммиака.

Цель азотирования – повышение твердости поверхностного слоя

• износостойкости

• предела выносливости

• сопротивления коррозии ( в таких средах как вода,пар и др.)

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до 600-650оС , тогда как мартенсит сохраняет свою твердость только до температуры 200-250^оС

Азотированию подвергают шестерни, цилиндры, пресс-формы, коленчатые валы, штампы.

В сплавах железа с азотом образуется ряд твердых растворов ( азота в альфа-железе, твердые растворы на основе нитридов железа.

Азотирование проводят в атмосфере аммиака.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые после азотирования получают высокую твердость и износостойкость. Кроме нитридов железа, твердость которых невелика, наиболее сильно повышают твердость вольфрам, хром, молибден, ванадий.

Классическая сталь для азотирования – 38Х2МЮА

Азотирование углеродистых сталей повышает их коррозионную стойкость.

Температура азотирования – 520-600^оС

Толщина азотированного слоя - до 0,6 мм

продолжительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя.

ЦИАНИРОВАНИЕ

Цианированием называется процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 820-950оС в расплавленных цианистых солях.

Цели цианирования – повышение поверхностной твердости, прочности, износостойкости, коррозионной стойкости, предела выносливости.

Различают:

1.СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНОЕ ЦИАНИРОВАНИЕ

Это нагрев до 820-860оС в расплавленных цианистых солях (NaCN

KCN)

продолжительность процесса – от 30 до 90 мин

далее закалка непосредственно из цианистой ванны и низкий отпуск.

применяется для мелких деталей.

2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ЦИАНИРОВАНИЕ

Это нагрев до температуры 930-950^оС в расплавленных цианистых солях

продолжительность процесса 1, 5 часа-6 часов

Зеркало ванны для предотвращения угара цианистых солей покрывают слоем графита.

После цианирования также проводят закалку и низкий отпуск.

Преимущества цианирования перед цементацией - уменьшение времени – повышение производительности, больше изностостойкость, коррозионная стойкость, меньше коробление.

Недостатки – высокая стоимость, ядовитость цианистых солей, необходимы меры по охране труда.

НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ

Нитроцементация – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 840-860оС в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака.

Продолжительность процесса – 4-10 часов

Цели – те же, что и при цианировании

Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется\ диффузионный процесс.

Температура при нитроцементации ниже, чем при цементации, что положительно.

Толщина слоя – 0,2-0,8 мм

После нитроцементации следует закалка и низкий отпуск, твердость – 58-64НRCэ.

Нитроцементации подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению.

Наиболее широко применяется на автомобильных и тракторных заводах. В частности на Вазе 94,5% деталей, проходящих ХТО, подвергаются нитроцементации.

Борирование – это вид ХТО, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде.

Цель борирования – повышение поверхностной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости, окалиностойкости до 800^оС и теплостойкости.

Борирование выполняется при электролизе расплавленной буры

Na2B4O7. Но может быть и газовым в среде диборана или хлористого бора, либо без электролиза в ваннах с расплавленными солями.

Температура процесса 930-950^оС

Время выдержки – 2-6 часов

Толщина слоя очень не большая – 0,1-0.2 мм

Диффузионный слой состоит из боридов,обладающих высокой твердостью.

Борированию подвергают втулки насосов, диски, штампы, детали прессформ и др.

ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

Диффузионная металлизация – это насыщение поверхностного слоя стали алюминием, хромом, цинком, кремнием и др.

Различают следующие основные способы диффузионной металлизации:

• погружение в расплав металла

• диффузия из расплавленных солей, содержащих диффундирующий элемент

• путем испарения диффундирующего элемента

• из газовой среды

Различают следующие виды диффузионной металлизации.

АЛИТИРОВАНИЕ

Это диффузионное насыщение поверхностного слоя металла алюминием

Цель алитирования – повышение окалиностойкости (до 900^оС) , при этом образуется плотная пленка окислов Аl2O3, предохраняющая металл от окисления, повышения коррозионной стойкости.

Алитирование осуществляется погружением деталей в расплавленный алюминий (660^оС)

толщина слоя 0,2-1 мм

структура алитированного слоя - твердый раствор алюминия в альфа-железе.

Алитированию подвергают чехлы термопар, топливники газогенераторных машин, детали разливочных ковшей и др. детали, работающие при высоких температурах.

ХРОМИРОВАНИЕ

Это насыщение поверхностного слоя хромом.

Цель – повышение окалиностойкости до 800^оС, коррозионной стойкости в морской воде и азотной кислоте, увеличения твердости и износостойкости

Диффузионный слой состоит из твердого раствора хрома в альфа-железе, карбидов хрома

толщина слоя – 0,1-0,15 мм

Хромированию подвергают детали паросилового оборудования, пароводяной арматуры, клапаны, вентили, детали, работающие на износ в агрессивных средах.

СИЛИЦИРОВАНИЕ

Это насыщение поверхностного слоя кремнием

Цель – повышение коррозионной стойкости в морской воде, азотной и серной кислотах, износостойкости .

Силицированный слой состоит из твердого раствора кремния в альфа-железе

Толщина слоя – 0,3-1мм

При низкой твердости износостойкость силицированного слоя велика.

Силицированию подвергают детали химического оборудования, бумажной и нефтяной промышленности – валики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и др.