Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называют процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя изделий различными элементами.

Химико-термическая обработка включает в себя одновременное термическое и химическое воздействие окружающей среды с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхности деталей. Ее применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты поверхности от электрохимической и газовой коррозии. Она подразделяется на диффузионное насыщение металлами и неметаллами.

Диффузионное насыщение металлами включает в себя алитирование, хромирование, силицирование, насыщение другими металлами. Диффузионное насыщение неметаллами включает в себя цементацию, азотирование, цианирование (нитроцементацию), борирование, оксидирование и др.

При ХТО происходит изменение концентрации насыщающего элемента от максимального на поверхности. до базового в центре детали (рис.27).

Рис.27. Изменение концентрации насыщающего элемента

При ХТО обрабатываемые детали нагревают в каких-либо химически активных средах. Параметрами обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

Основными процессами любого вида ХТО являются диссоциация, абсорбция и диффузия.

Диссоциация - разложение химического соединения для получения химических элементов насыщающих поверхность детали в более активном, атомарном состоянии.

Адсорбция – захват поверхностью детали активных атомов.

Диффузия - перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Скорости всех трех процессов обязательно должны согласовываться друг с другом. Для адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом с образованием либо твердого раствора, либо химического соединения, так как при отсутствии этого химико-термическая обработка невозможна.

Процесс химико-термической обработки можно разделить на три стадии.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде и образуются активные диффундирующие элементы, в ионизированном состоянии.

На второй стадии процесса они усваиваются поверхностью металла: происходит адсорбция или хемосорбция, в результате тонкий поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации - движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия диффузионное проникновение элемента вглубь металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой кристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса ХТО протекают значительно быстрее третьей, когда формируется структура и свойства диффузионной зоны.

Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред.

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью сталей, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в сталь, образуя слои значительной толщины.

Формирование структуры поверхностного слоя зависит от типа взаимодействия между собой насыщающего элемента и металла основы. Если компоненты образуют неограниченный твердый раствор, то наблюдается плавное изменение структуры. Если при взаимодействии компонентов образуются новые фазы, то все они будут наблюдаться в структуре образующегося диффузионного слоя на поверхности детали (рис.28).

Рис.28. Изменение фазового состава поверхности