2. Химико-термическая обработка металлов и сплавов

0. 2.1. Общие закономерности

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твёрдости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

1. 2.2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами – наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки.

Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твёрдые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя слой значительно толщины.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали доводиться до 0,8 – 1 %, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляются износу. Твёрдость на поверхности HV 7500 – 9500. Сердцевина детали, содержащая 0,08 – 0,25 % углерода, остается вязкой, а поверхности, не подлежащие цементации, защищаются гальваническим омеднением. Толщина медного слоя 0,02 – 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колёса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д.

Азотирование стали. Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).

Для азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработки. После азотирования детали шлифуют и полируют.

Ионное азотирование и цементация. Для активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование (азотирование в плазме тлеющего разряда). При этом достигается значительное сокращение общего времени процесса (в 2 – 3 раза) и повышения качества азотированной зоны. Ионное азотирование инструментов из быстрорежущей cтали повышает стойкость в 2 – 5 раз в зависимости от условий резания.

Наряду с ионным азотированием применяют ионную цементацию деталей. В отличие от ионного азотирования при ионной цементации требуется более высокая температура нагрева поверхности (900 – 1050 ⁰С). При ионной цементации, как и при ионном азотировании, наблюдается ускорение диффузионного насыщения, особенно в начальной стадии, и сокращения общей длительности технологического процесса по сравнению с традиционными способами цементации и азотирования.

Одновременно насыщение поверхности стали углеродом и азотом. Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определённые преимущества. Например, азот способствует диффузии углерод, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщение до 850 ⁰С и получить при этом почти такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшиться рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания. Такой процесс называют нитроцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа с 3 – 5 % аммиака, а в диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитроцементированный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.