3. Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) сочетает тепловое воздействие с химическим и заключается в насыщении поверхности заготовки каким-либо элементом с целью получения в этом слое необходимых свойств (твердость, износостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.д.).

Возможность или невозможность проведения того или иного вида обработки определяют на основании анализа диаграмм состояния.

Для определения режимов термообработки углеродистых сталей используют диаграмму состояния Fe – Fe₃C. Температуры фазовых превращений при термической обработке сталей (критические точки) определяются линиями PSK, GS и SE диаграммы состояния Fe – Fe₃C.

Нижняя критическая точка, соответствующая обратимому превращению аустенита в перлит при температуре линии PSK, обозначается A₁. Верхняя критическая точка, соответствующая началу выделения из аустенита феррита или концу превращения феррита в аустенит (линия GS), обозначается A₃, температура линии SE – A_cm.

Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении (они не совпадают), к обозначению критической точки при нагреве приписывают букву с, при охлаждении – букву r, соответственно критические точки обозначают как Ac₁, Ac₃ и Ar₁, Ar₃.

Химико-термическая обработка в среде углеродосодержащих веществ (древесный уголь, метан, пропан, бутан и др.) называется цементация; в среде аммиака NH₃ – азотирование; в среде аммиака и углеродосодержащих веществ – нитроцементация; в среде цианистых солей Na и K – цианирование; в среде жидкого металла – диффузионная металлизация. Также в технологии используют металлы и неметаллы (бор, фтор, хром, титан, никель, алюминий, кремний и др.).

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

По механизму протекания процесса химико-термической обработки его делят на три стадии.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной окружающей среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы в ионизированном состоянии, – стадия диссоциации.

На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью металла – происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия – диффузионное проникновение элемента в глубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса химико-термической обработки протекают значительно быстрее третьей – диффузионной стадии, где формируется структура и свойства диффузионной зоны. Третья стадия определяет скорость процесса химико-термической обработки.

Фазовые и структурные изменения, происходящие на диффузионной стадии процесса, можно предсказать с помощью двойных диаграмм состояния, если в диффузионном воздействии участвуют всего два элемента. При этом предполагается, что диффузионный процесс не интенсифицируется и образующаяся диффузионная зона находится в равновесном состоянии.