Хіміко-термічна обробка сталі

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називають технологічні процеси дифузійного насичення з навколишнього середовища при високій температурі поверхневого шару металу деталі різними хімічними елементами в атомарному стані. Ці процеси застосовують для підвищення твердості, витривалості, а також захисту від хімічної та газової корозій. Такій обробці піддають шестерні, осі, вали, черв'яки, калібри, пальці рульових тяг та інші деталі. Порівняно з подібним за призначенням поверхневим гартуванням, ХТО має певні недоліки (значно нижчу продуктивність) і переваги:

— можлива обробка як простих, так і складних за формою поверхонь із забезпеченням зміцненого шару однакової товщини;

— більша відмінність властивостей поверхневого шару і серцевини, бо при ХТО різниця у властивостях є результатом зміни хімічного складу і структури металу, а при поверхневому гартуванні — лише за рахунок зміни структури.

При ХТО деталь обов'язково розміщують у багатому на дифундуючий елемент середовищі, яке може бути у твердому, рідкому та газоподібному станах. Процес передбачає три елементарні стадії.

На першій стадії в робочому середовищі відбуваються хімічні реакції розпаду з виділенням дифундуючого елемента в атомарному стані, наприклад,

2СО → С0₂ + С,

NH₃ → 3Н + N.

Під час другої стадії утворені атоми адсорбуються (поглинаються) насичуваною поверхнею.

Третя стадія — дифузійне проникнення атомів вглиб металу, утворення твердих розчи­нів або фазова перекристалізація сплаву.

Перша і друга стадії процесу ХТО відбуваються значно швидше за третю, при якій формується структура і властивості насиченого шару. Тривалість третьої стадії визначає продуктивність процесу.

Дифузійне насичення поверхневого шару відбувається, як правило, при постійній температурі в однофазній зоні з утворенням твердого розчину змінної концентрації або хімічної сполуки.

Товщина насиченого шару залежить від тривалості насичення та температури.

При постійних температурі і тривалості товщина насиченого шару збільшується пропорційно до концентрації дифундуючого елемента в робочому середовищі.

Для насичення поверхневого шару деталі при ХТО здебільшого використовують вуглець (цементація), азот (азотування), вуглець і азот (нітроцементація, ціанування), бор (борування) та інші.

Цементація. Насичення вуглецем поверхневих шарів деталей. Після цементації проводять гартування. В результаті поверхневі шари деталей стають твердими, а середина зостається в'язкою. Так обробляють деталі, що працюють одночасно з ударом і на стирання: поршневі пальці, зубчасті колеса. Цементують деталі з вмістом вуглецю 0,15-0,35%.

Розрізняють три види цементації:

• твердим карбюризатором. Використовують суміш деревного (березового) вугілля (75%) з вуглекислими солями барію і кальцію (BaCO₃, CaCO₃). Розмір зерен вугілля 3-10мм. Деталі розміщують в залізні цементаційні ящики, засипають карбюризатором, закривають кришками і ретельно обмазують глиною. Потім розміщують в печі і витримують 5-25 годин при температурі 910-930⁰С. Чим більший час витримки, тим більша глибина цементації (0,5-2,5 мм). Застосовують в умовах ремонтного виробництва.

• газова. Найпоширеніша. Відбувається в спец камерах, де містяться нагріті до температури 930-1000⁰С деталі, скрізь які безперервно пропускають цементуючий газ. Використовують природний газ, основною частиною якого є метан СН₄. Газова цементація більш продуктивна (у 2-3 рази), підлягає автоматизації і механізації.

• рідинна. Застосовують для дрібних деталей, якщо потрібна невелика глибина цементованого шару. Деталі занурюють у розплавлені солі і витримують при температурі 840-900⁰С протягом 0,5-2 годин. Товщина цементованого шару 0,2-0,65 мм. Застосовують суміш солей: 6-10% SiC + 75-85% CaCO₃ + 10-15% NaCl.

Після цементації деталі підлягають гартуванню з низьким відпусканням. Результатом є мартенсит у поверхневому шарі і низько вуглецевий внутрішній шар, що маю феритно-перлітну структуру.

Азотування. Це насичення поверхневого шару деталей азотом для надання твердості, стійкості до спрацювання і корозійної стійкості. Застосовують для легованих сталей, що містять алюміній, титан, вольфрам, ванадій, хром або молібден, наприклад сталі марок 35ХМЮА, 35ХЮА тощо.

Перед азотуванням деталі гартують і піддають високому відпусканню.

Азотування відбувається у печах при температурі 500-600⁰С. Активний азот, що виділяється при розпаданні аміаку, дифундує в поверхневий шар і утворює тверді хімічні сполуки – нітриди: AlN, MoN, Fe₄N тощо.

Азотування на глибину 0,2-0,5мм триває 25-60 годин, це є його головним недоліком, але цей метод має ряд суттєвих переваг: нижча температура нагріву, твердість VH=1100-1200 (при цементації 800-900), менша крихкість, більша корозійна стійкість. Використовується для шестерень, коленвалів, циліндрів двигунів внутрішнього згоряння.

Азотування викликає збільшення розмірів деталей, тому після нього проводять додаткову обробку шліфуванням зі зняттям слою 0,02-0,03мм.

Ціанування. Це насичення поверхневого шару одночасно азотом і вуглецем в ціаністому середовищі. Буває рідке і газове:

• рідке відбувається в ваннах з розплавами ціаністих солей NaCN, KCN, Ca(CN)₂. розрізняють низькотемпературне (550-600⁰С) – для підвищення стійкості інструментів з швидкоріжучої сталі. Відбувається в розплавах солей NaCN + KCN. Високотемпературне (800-850⁰С). Відбувається в ваннах з солями NaCl + Na₂CO₃. Термін рідкого ціанування – від 5 хвилин до 1 години, глибина – 0,2-0,5мм. Недоліком є висока вартість і отруйність солей, що використовуються.

• газове відрізняється від газової цементації тим, що до цементуючого газу додається аміак, що виділяє атоми азоту. Як і рідке ціанування, підрозділяється на: низькотемпературне (500-700⁰С). У сталь переважно дифундує азот; високотемпературне (800-850⁰С). У сталь переважно дифундує вуглець з утворенням аустеніту. При газовому ціануванні не використовуються отруйні солі, а також можна обробляти великі деталі.

Після ціанування відбувається гартування і низьке відпускання. Ціанування використовується як і цементація, проте забезпечує менше короблення деталей і вищу корозійну стійкість. Ціанування проводять з метою одержання більш високої, ніж при азотуванні, твердості, зносостійкості та корозійної стійкості деталей середньо вуглецевої та швидкоріжучої сталей.