Химико-термическая обработка
ХТО подвергают только готовые детали. Это нагрев в определенной химической среде с целью изменения хим. состава пов-го слоя. При этом меняются структуры и свойства пов-го слоя.
Наиболее важные цели ХТО: повышение твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Самые распространенные виды ХТО: цементация (насыщение С), азотирование (насыщение N), нитроцементация (и тем и другим), диффузионная металлизация (алитирование, хромирование) – насыщение другим Ме.
Закономерности ХТО
ХТО проходит в 3 этапа:
1. Диссоциация: реакция в среде, с целью получения насыщающего эл-та в активном состоянии (атомарном или ионном): 2СО –® СО2 + С.
2. 
Адсорбция и абсорбция (осаждение и внедрение) насыщающего эл-та в основной фазе, т.е. растворение С в А-те поверхности.
3. Диффузия – проникновение элемента вглубь.
Все эти процессы зависят от т-ры и времени.
Диффузия – самая медленная стадия. Толщина слоя меняется по параболе, т.е. в начале процесса – активный рост, потом - затухание.
h 
2=АDt
где: D – к-т диффузии; тоже зависит от т-ры: D= D0 × е –Q / RT. Очевидно, для получения больших слоев необходима высокая т-ра. В зависимости от природы Ме, Т хто = 500¸1500 °С, время ХТО от 1 часа до нескольких суток.
| |||||
 | |||||
  | |||||
Цементация
Это процесс насыщения поверхности деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости при сохранении вязкой и мягкой сердцевины. Для обеспечения вязкости сердцевины, цементируют низкоуглеродистые стали (С < 0,3 %): 20, 25, 20Х, 12Х2Н4А, 20ХН3А и др.
По способу насыщения Ц-я подразделяется на твердую, газовую и ионную.
Твердая цементация. Среда насыщения состоит из древесного угля и солей, активирующих процесс (ВаСО3, Nа2СО3). Древесный уголь выбирают с малой зольностью – березовый. Деталь ставят в печь с т-рой 900 °С на 10-12 часов. Слой получается 1 мм. Этот метод применяется в последнее время очень редко, т.к. он трудоемкий и продолжительный, а слой неравномерный – это недостатки. Достоинство - он незаменим только в единичном производстве.
Газовая Ц-я проводится в конвейерных печах в среде науглероживающих газов: СО, СН4 и др. На практике используют биологические газы и газы от пиролиза нефтепродуктов. Поток газа через печь должен быть строго регламентирован как по составу, так и по скорости. Плох как недостаток, так и избыток газа! Недостаток газа увеличивает продолжительность процесса, уменьшает слой. Избыток приводит к тем же результатам, т.к. лишний углерод в виде сажи покрывает поверхность и замедляет процесс. Оптимальная толщина при ГЦ: 2-3 мм, а продолжительность, в зависимости от т-ры, 5-8 ч.
Ионная Ц-я проводится аналогично ионному азотированию (позже).
ТО цементуемых деталей
Растворимость углерода больше в А-те благодаря большим по размерам порам. Это определяет т-ру Ц-ии (900¸950 °С). Максимум насыщения углеродом – 0,8-1,3 %, т.к. большее приводит к охрупчиванию.
Структура после ц-ии: Ф+П – в сердцевине и П+Ц – на поверхности. С приближением к пов-ти, увеличивается (вслед за ув-ем количества углерода) количество П и Ц, а потому и карбидов после всей ТО.
Свойства меняются в соответствии со структурой. В сердцевине сталь мягкая, пластичная, а на поверхности – твердая. Однако после Ц-ии нельзя получить максимальную твердость. Поэтому проводят окончательную ТО, включающую закалку и низкий отпуск. В связи с тем, что сталь имеет разный состав в сердцевине и на поверхности, необходимо 2 закалки, соответственно для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали.
Цель 1 закалки: а) измельчить зерно сердцевины (после цементации оно стало крупным) для повышения вязкости, необходимой сердцевине;
б) разбить Ц-юю сетку на пов-ти для устранения его хрупкости.
Цель 2 закалки: повысить твердость и износостойкость поверхности.
Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений.
В результате: на поверхности структура:
М отп + включения Ц или К + Аост (С>0,6); твердость НRС = 62-63.
Если деталь выполнена из природно мелкозернистой стали, закалку можно проводить одну и непосредственно с т-ры Ц-ии после небольшого подстуживания. В этом случае в структуре сохраняется Аост, а окончательная структура будет: Мотп + Аост + К.
Если надо снизить количество Аост, после закалки проводят обработку холодом при т-ре - 40 ¸ - 80 °С. При этом Аост → в М. Цель:
1) повысить твердость;
2) обеспечить стабильность размеров,
3) исключить образование хрупкого М-та деформации.
Параметры, по которым контролируют Ц-й слой: а) содержание С на пов-ти; б) толщина слоя; в) твердость.
| ТО |
Преимущества Ц-ии: 1) большой слой 3 мм; 2) в слое существуют напряжения сжатия, которые повышают усталостную прочность, не позволяя расти усталостной трещине. Недостатки: 1) длительная сложная ТО, 2) деформация деталей из-за высокой т-ры; 3) низкая теплостойкость из-за невысокой т-ры последней ТО (максимум 250 °С).
Азотирование
Это процесс насыщения азотом с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Азотируют только легированные стали, например 38ХМЮА, 18ХГТ. Азотирование бывает газовое и ионное.
Газовое азотирование проводят в герметичных печах, через которые пропускают аммиак NН3 –® N + 3Н. Сердцевина сохраняется пластичной и вязкой.
Т-ра азотирования 500¸520 °С, время до 60 ч; слой 0,5 мм. Время азотирования можно сократить в 2 раза, если сделать 3-х ступенчатое азотирование:
1) т-ра 500¸520 °С; 2) кратковременно т-ра 560¸580 °С; 3) 500¸520 °С.
Атомарный азот адсорбируется поверхностью Ме и диффундирует вглубь, образуя азотистый феррит Fea(N) – твердый раствор внедрения и мелкодисперсные нитриды CrN, MoN, AlN. Вот почему при азотировании используют только легированные стали! Азотистый феррит повышает не только твердость и прочность, но и коррозионную стойкость сталей.
В последнее время применяют ионное азотирование, при котором время процесса сокращается в 10 раз, а слой увеличивается в 1,5 раза. Это азотирование в тлеющем разряде. Его проводят в спец. контейнерах, стенки которого являются анодом, а деталь – катодом. Сначала откачивается воздух, а затем закачивается аммиак. Между катодом и анодом создают эл-й разряд, который ионизирует газ. Активный газ сначала очищает поверхность от оксидных пленок (благодаря катодному распылению). Ионы также разогревают деталь до нужных т-р.
Схема азотирования
Детали должны быть окончательно отшлифованы и обезжирены, т.к. азотирование – окончательная обработка и после него никакой механической и термической обработки не делают. Пред азотированием делают закалку и высокий отпуск на сорбит. Структура после азотирования: Сотп + Нитриды. Две эти фазы когерентно связаны, что эффективно повышает твердость. Так как слой тонкий, то его твердость измеряют по Виккерсу с нагрузкой 100¸200 грамм.
После азотирования контролируют: а) хим. состав; б) толщину слоя; в) твердость и г) хрупкость слоя. Хрупкость оценивают по отпечатку от твердомера Виккерса. Если отпечаток круглый – 1 балл, чем больше волосовин (трещин), тем больше балл.
Преимущества ионного азотирования перед газовым:
1) экологическая чистота
2) ускорение процесса
3) повышение качества поверхности
4) повышение свойств благодаря равномерности слоя.
Ионная Ц-я разработана позже и нашла меньшее распространение (из-за более высокой т-ры).
Преимущества азотирования перед Ц-ей: а) выше коррозионная стойкость, б) отсутствует коробление; в) главное – выше рабочие т-ры, т.к. намного выше т-ра последней ТО. Поэтому рабочие т-ры азотированных деталей 550 °С!
Преимущества Ц-ии перед Аз-ем: а) цементуют любые, в т.ч. и дешевые углеродистые стали, а азотируют только дорогие легированные; б) выше усталостная прочность, т.к. благодаря б о льшему по глубине слою – выдерживает б о льшие нагрузки.
Нитроцементация
Это одновременное насыщение поверхности С и N. Такое одновременное насыщение облегчает процесс проникновения и тех и других атомов в решетку железа. Скорость процесса насыщения поэтому увеличивается. НЦ-ии подвергают и простые углеродистые и легированные стали с 0,2¸0,4 % С. Цель НЦ-ии: повышение твердости, износостойкости и выносливости.
Процесс возможен в различных средах:
1) газовая НЦ (одновременная подача азотирующих и науглероживающих газов);
2) жидкостная НЦ (цианирование, карбонитрация) в расплавленных цианистых солях: NаСN + Nа2СО3 (сода) + NаСl. Используется редко из-за токсичных солей и дороговизны процесса. NаСNО не токсичен.
3) в твердом карбюризаторе состава: древесный уголь и цианистые соли. Используется редко.
4) ионная НЦ – высокотемпературный процесс.
По т-ре процесс НЦ может быть низко- и высокотемпературным. Низкотемпературное цианирование при т-ре 550¸600 °С используют для мелких деталей из конструкционных и быстрорежущих сталей. Высокотемпературная НЦ при т-ре 850¸950 °С проводится для более получения более глубоких слоев, до 2 мм. После Выс. НЦ проводят такую же ТО, как после Ц-ии: закалка + низкий отпуск. А Низкот-я НЦ – окончательная обработка. ТО быстрорежущих сталей: Закалка + 2-х кратный отпуск (560 °С) + НЦ.
Особенность процесса: чем выше т-ра насыщения, тем больше в слое углерода и меньше азота и наоборот. Пример в таблице.
Твердость выше после высокот-ной НЦ за счет легирования твердого р-ра азотом и образования мелких частиц карбонитридов.
Диффузионная металлизация
Насыщение поверхности разными металлами и неметаллами. Бывает твердая, жидкостная, газовая. Виды: насыщение…
Ø хромом – хромирование (повышает коррозионную стойкость, кислотостойкость и жаростойкость);
Ø алюминием – алитирование (повышает кор-ю стойкость, жаростойкость до 1200 °С).
Существуют аналогичные процессы насыщения неметаллами:
Ø бором – борирование (самая высокая твердость);
Ø 
кремнием – силицирование (самая высокая жаростойкость).
Производительность этих процессов мала, даже несмотря на очень высокие т-ры, из-за малой скорости диффузии металлов. Например, при алитировании слой глубиной 0,4 мм получается при 1000 °С за 6 часов.
Металлизацию проводят в порошках, содержащих летучие хлориды Ме, транспортирующих атомы Ме к поверхности детали).
Другой современный способ насыщения разработан в МВТУ. Это циркуляционный способ насыщения.