Химико-термическая обработка металлов
Химико-термическая обработка металлов (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют насыщающими элементами или компонентами насыщения. В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.
Классификация процессов химико-термической обработки В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки: -- однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием; - многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.
Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере. На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов,твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.
При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)
Массоперенос при химико-термической обработке При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:
реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента);
диффузия в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава;
процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев - удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду;
диффузия в насыщаемом сплаве;
реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т.д.).
Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО. Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.
Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав, то есть содержание тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.
Применение ХТО применяют с целью:
поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.);
сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;
придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);
придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).
Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).
Назначение основных видов химико-термической обработки Цементация — процесс поверхностного насыщения стали углеродом при температуре 900—950°С. Цементации подвергают малоуглеродистые и низколегированные стали (менее 0,2% например, стали 12ХНЗА, 18ХНВА и др.), реже легированные и высокоуглеродистые стали. Этот процесс с последующей термообработкой позволяет получить на деталях высокую поверхностную твердость (до НRСэ65), прочность и износоустойчивость при вязкой сердцевине. Оптимальное содержание углерода в цементированном слое 0,8 ...0,9%, но не более 1,2%. Толщина слоя 0,5... 2,0 мм.
Цементацию проводят в газовой среде, в твердом карбюризаторе, жидкой среде и в различных пастах. Азотирование — насыщение поверхностного слоя стальных деталей азотом в среде аммиака или в смеси аммиака и азота при температуре 500...700°С.
Продолжительность азотирования 20—80час. Глубина азотированного слоя составляет 0,1...0,5 мм, твердость НV650...1100. При этом содержание азота в поверхностном слое достигает 10...12%. Различают антикоррозионное и прочностное азотирование. Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и коррозионной стойкости деталей, работающих в атмосфере, воде, паре и т. д. Прочностное азотирование является наиболее эффективным методом резкого повышения поверхностной твердости, прочности, износоустойчивости. Нитроцементация (цианирование) — процесс одновременного насыщения поверхностного слоя стальных деталей азотом и углеродом. Нитроцементацию различают газовую а жидкую. При нитроцементации поверхностный слой насыщают углеродом и азотом из смеси аммиака (2...6%) и науглероживающими газами (светильный, пропан и др.) или жидкостями (пиробензин, синтин, триэтаноламин и др.). При цианировании насыщение осуществляется из солевых расплавов, содержащих цианистые соли NaCN, Са(СN)2, являющиеся поставщиками активных атомов углерода и азота. Нитроцементацию подразделяют на низкотемпературную (500...600°С) и высокотемпературную (800...950°С). Толщина упрочненного слоя 0,15...0,5 мм.
Время выдержки при газовой нитроцементации выбирают в зависимости от требуемой глубины слоя и температуры процесса. При высокотемпературной нитроцементации средняя скорость образования упрочненного слоя равна 0,08...0,1 мм/ч. Толщина цианированного слоя зависит от времени выдержки. За 1 час выдержки при рабочей температуре 820 ...860°С можно получить слой толщиной 0,25...0,35 мм. После цианирования (нитроцементации) детали подвергают закалке в масле или в воде и низкому отпуску при температуре 150…170°С в течение 5ч. Газовая нитроцементация конструкционных сталей обеспечивает твердость HRC 58. Борирование — процесс поверхностного насыщения стальных (чугунных) деталей бором. Применяют для повышения поверхностной твердости (до НV1300—2500) низколегированных чугунов, углеродистых и высоколегированных сталей и специальных сплавов. Высокая поверхностная твердость деталей увеличивает их износостойкость, особенно в условиях абразивного износа. Твердость борированной поверхности сохраняется при нагреве до температуры ~750°С. Борированный слой обладает повышенной жаростойкостью и кислотостойкостью. Алитирование — процесс поверхностного насыщения стали или чугуна алюминием при температуре 660…1100°С для повышения жаростойкости. Алитированию подвергают в основном низкоуглеродистые стали. Хромирование — процесс поверхностного насыщения стали и чугуна хромом при температуре 950…1050°С для повышения коррозионной стойкости, кислотоупорности и поверхностной твердости. Хромированию подвергают средне- и высокоуглеродистые стали. Хромированная сталь обладает окалиностойкостью до 800…850°С, высокой кислотоупорностью и высоким сопротивлением коррозии в растворе хлористого натрия.
Силицирование — процесс насыщения поверхности стали и чугуна кремнием при высоких температурах. Применяют для повышения стойкости изделий в азотной, серной, соляной кислотах. Сульфидирование — процесс поверхностного насыщения деталей серой. Применяют для повышения износоустойчивости, улучшения приработки и противозадирных свойств деталей. Сульфидированию подвергают коленчатые валы, толкатели клапанов, направляющие салазки и винты токарных станков, прессформы для литья под давлением. Глубина слоя составляет 0,1 мм и выше.
3 883
15 072 
