11.2 Теоретичні відомості

При хіміко-термічній обробці відбувається зміна хімічного складу і структури поверхневих шарів під впливом навколишнього середовища й температури.

При хіміко-термічній обробці відбувається три елементарних процеси: дисоціація, адсорбція, дифузія. Дисоціація – розпад молекул з утворенням вільних атомів:

2СО → СО₂ + С, (11.1)

2NH₃ → 3Н₂ + 2N (11.2)

Активні атоми розчиняються в поверхневому шарі. Цей процес називається адсорбцією. Сили притягування створюють поверхневі атоми основного металу, які мають вільні зовнішні зв’язки. З підвищенням температури адсорбційна здатність металу зростає. Розвиткові процесу адсорбції сприяє здатність дифузанту утворювати з основним металом заготовки твердий розчин або хімічну сполуку.

Проникнення адсорбованих атомів дифузанту в глибину тіла є дифузія – третій процес. Усі три процеси прискорюються з ростом температури. Для протікання дифузії з припустимою для виробництва швидкістю необхідне утворення твердого розчину дифузанту в металі.

Види хіміко-термічної обробки класифікують за елементами, якими насичується поверхневий шар. Насичення поверхні вуглецем називається цементацією, азотом – азотуванням, сіркою – сульфідуванням.

Цементації піддають вуглецеві і леговані сталі, які містять вуглецю від 0,1 до 0,25%. В ході цементації утворюється твердий, зносостійкий поверхневий шар при зберіганні м’якої і в’язкої серцевини, підвищується границя втоми сталі.

Сталі, які належать до цементуємих, повинні добре оброблятися різанням, бути спадково дрібнозернистими, щоб у процесі цементації не відбулося росту зерна. В цементованому шарі не повинно бути багато залишкового аустеніту, який знижує твердість і погіршує зносостійкість.

Цементацію роблять у твердому і газоподібному карбюризаторах.

Твердий карбюризатор: суміш березового вугілля і вуглекислих солей (BaCO₃, СaCO₃ і ін.).

Температура цементації складає 900...950ºС (вище Ас₃) для отримання структури аустеніту, який добре розчинює вуглець. Структура поверхневого шару після цементації складається з наступних зон: заевтектоїдної, евтектоїдної і доевтектоїдної, яка є перехідної до структури серцевини (рис. 11.1).

Задачею цементації є отримання високої поверхневої твердості і зносостійкості при в’язкій серцевині. Цементацією досягається лише вигідне розташування вуглецю у перерізі. Після цементації для одержання високої твердості цементованого шару проводять загартування (температура загартування 780...810ºС). Така температура для маловуглецевої серцевини не викликає структурних змін і вона залишається ферито-перлітною.

І – заевтектоїдна зона П+Ц;

ІІ – евтектоїдна зона П;

ІІІ – поверхневий шар;

ІV – серцевина П+Ф

Рисунок 11.1 – Мікроструктура цементованого шару після повільного охолодження з температури цементації

Азотування – насичення поверхневого шару стальної деталі азотом. Забезпечує підвищення твердості і зносостійкості деталей, збільшує границю втоми, підвищує корозійну стійкість. Для азотування звичайно використовують сталь 38ХМЮА, тобто низьколеговані сталі, легуючи елементи котрих здатні утворювати нітриди (CrN, Cr₂N, MnN, TiN АlN і ін.). Перед азотуванням сталь 38ХМЮА загартовують з 950ºС, відпускають на сорбіт при 650ºС і проводять остаточну механічну обробку. В герметично зачинений муфель під тиском надається аміак, температура складає 500 - 520ºС. Азотований шар звичайно, складає 0,8 мм. Структурою азотованого шару є наступні фази:  – нітрид Fe₂N, ' – Fe₄N,  – азотистий аустеніт, існує лише до евтектоїдної температури,  – азотистий ферит.

Азотування застосовують для підвищення твердості, зносостійкості, втомної міцності, корозійної стійкості.

Ціануванням називають одночасне дифузійне насичення вуглецем і азотом поверхневого шару сталевих деталей у розтопленій ціанистій солі, а нітроцементацією – в газовому середовищі.

Після ціанування на поверхні деталі виникає карбонітридний шар твердістю HRC 58…62.

Нітроцементацію здійснюють у суміші навуглецьовувального газу й аміаку при температурі 850…870°C протягом 2…10 год. ЇЇ широко застосовують в автомобільній промисловості для поверхневого зміцнення зубчастих коліс, виготовлених з хромистих і хромомаргацевих сталей. Після насичення деталі гартують і відпускають при 150…200°C.

Дифузійна металізація – дифузійне насичення поверхневих шарів талевих виробів металами при високій температурі. Дифузійна металізація приводить до підвищення корозійної тривкості, жаро- й зносотривкості. Метали утворюють зі залізом тверді розчини заміщення і повільніше за неметали дифундують в глибину виробу, тому процес проводять при підвищених температурах.

Дифузійне насичення виробів алюмінієм з метою підвищення жаротривкості називають алітуванням. Алітують сталі з 0,1…0,2% С найчастіше в порошковій суміші з фероалюмінію, хлористого амонію й оксиду алюмінію при температурах 950…1150°C протягом 3…12 год. На поверхні виробу утворюється плівка Аl₂O₃, яка є захисною до температури 900°C.

При алітуванні відбувається реакція:

NH₄Cl → NH₃ + HCl, (11.3)

6HCl +2Аl → 2AlCl₃ + 3Н₂ (11.4)

На поверхні виробу газоподібний хлорид алюмінію, взаємодіючи з залізом, виділяє вільні атоми алюмінію:

Fe + AlCl₃ → FeCl₃ + Al, (11.5)

які адсорбуються поверхнею виробу й дифундують у його глибину, утворюючи твердий розчин алюмінію у залізі.

Хромування – дифузійне насичення хромом поверхні переважно сталевих виробів з метою підвищення до 800°C жаротривкості, корозійної тривкості і поверхневої твердості. Хромують при температурі 1000…1050°C протягом 6…10 год. Глибина дифузійного шару 0,2…0,25 мм. Найчастіше насичують у порошкових сумішах із ферохрому (або хрому).