Хіміко – термічна обробка сталі

Хіміко – термічна обробка сталі (ХТО) – процес зміни хімічного складу, мікроструктури та властивостей поверхневого шару деталі.

Зміна хімічного складу поверхневих шарів досягається в результаті їх взаємодії з оточуючим середовищем (твердим, рідким, газоподібним, плазменним), в якому здійснюється нагрів.

У результаті зміни хімічного складу поверхневого шару змінюється його фазовий склад та мікроструктура.

Основними параметрами хіміко – термічної обробки є температура нагріву і тривалість витримки.

В основі будь - якого різновиду хіміко – термічної обробки лежать процеси дисоціації, адсорбції, дифузії.

Дисоціація – отримання насичуючого елемента в активованому атомарному стані в результаті хімічної реакції, а також випаровування.

Наприклад,

Адсорбція – захоплення поверхнею деталі атомів насичуючого елемента.

Адсорбція завжди екзотермічний процес, який приводить до зменшення вільної енергії.

Дифузія – переміщення адсорбованих атомів вглиб виробу.

Для здійснення процесів адсорбції та дифузії необхідно, щоб насичуючий елемент взаємодіяв з основним металом, утворюючи тверді розчини чи хімічні з’єднання.

Хіміко – термічна обробка є основним способом поверхневого зміцнення деталей.

Основними різновидами хіміко – термічної обробки є:

• цементація (насичення поверхневого шару вуглецем);

• азотування (насичення поверхневого шару азотом);

• нітроцементація чи ціанування (насичення поверхневого шару одночасно вуглецем і азотом);

• дифузійна металізація (насичення поверхневого шару різними металами);

• сульфідування (покриття поверхні сталі шаром сірки товщиною в декілька мікрон);

Цементація

Цементація - хіміко – термічна обробка, яка полягає в дифузійному насиченні поверхневого шару атомами вуглецю при нагріві до температури 900…950 ^oС.

Цементацію використовують для сталей з низьким вмістом вуглецю (до 0,25 %).

Нагрів виробів здійснюють в середовищі, яке легко віддає вуглець. Підібрав режими обробки, поверхневий шар насичують вуглецем до потрібної глибини.

Глибина цементації (h) – відстань від поверхні виробу до середини зони, де в структурі є однакові об’єми фериту та перліту (h=1…2 мм).

Ступінь цементації - середній вміст вуглецю в поверхневому шарі (не більше 1,2%).

Більш високий вміст вуглецю призводить до виникнення значної кількості вторинного цементиту, який призводить у поверхневому шарі до підвищеної крихкості.

На практиці використовують цементацію в твердому та газовому карбюризаторі (навуглецьовуюче середовище).

Ділянки деталей, які не підлягають цементації, попередньо покриваються міддю (електролітичним способом) чи глиняною сумішшю.

Цементація в твердому карбюризаторі

Майже готові вироби, з припуском під шліфовку, укладають в металічні ящики і присипають твердим карбюризатором. Використовується деревне вугілля з домішками вуглекислих солей ВаСО₃, Na₂CO₃ в кількості 10…40%. Закриті ящики укладають в піч і витримують при температурі 930…950 ^oС.

За рахунок кисню повітря відбувається неповне згорання вугілля з утворенням окису вуглецю (СО), який розкладається з утворенням атомарного вуглецю за реакцією:

Атоми вуглецю, що утворилися адсорбуються поверхнею виробу і дифундують вглиб металу.

Недоліком даного способу є:

• Значні витрати часу (для цементації на глибину 0,1 мм витрачається 1 година);

• Низька продуктивність процесу;

• Громіздке обладнання;

• Складність автоматизації процесу;

Даний спосіб застосовується в дрібносерійному виробництві.