Тема 8. Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка — процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой ста­ли с целью изменения состава, структуры и свойств.

Химико-термическую обработку применяют для:

1) повышения твердости поверхности стали;

2) повышения износостойкости;

3) повышения коррозионной стойкости;

4) повышения кислотоустойчивости и других свойств. Химико-термическая обработка широко применяется

в машиностроении, так как является одним из наиболее эффективных методов упрочнения стальных деталей для повышения их долговечности.

Химико-термической обработке можно подвергать различные по размерам и форме детали и получать обра­ботанный слой одинаковой толщины. При химико-тер­мической обработке за счет изменения химического со­става поверхностного слоя достигается большое различие свойств поверхности и сердцевины детали. Недостатком процессов химико-термической обработки является их ма­лая производительность. Химико-термическая обработка основана на диффузии атомов различных химических эле­ментов в кристаллическую решетку железа при нагреве в среде, содержащей эти элементы. Химико-термическая обработка состоит из следующих процессов:

1) диссоциации — получения насыщающего элемента в активном атомарном состоянии: 21ЧН₃** 2N + ЗН₂; СН₄~С + 2Н₂ит. Д.;

2) абсорбции — поглощения активных атомов насыща­ющего элемента поверхностью металла;

3) диффузии — перемещения атомов насыщающего элемента с поверхности в глубь металла.

Необходимо, чтобы скорости всех трех процессов были обязательно согласованы, а для абсорбции и диф­фузии требуется, чтобы насыщающий элемент взаимо­действовал с основным металлом, образуя либо твердые растворы, либо химические соединения. Химико-терми­ческая обработка невозможна, если основной металл и насыщающий элемент образуют механические смеси.

Наиболее распространенными видами химико-терми­ческой обработки являются цементация, борирование, азотирование

Цементация - диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняется термическая обработка - закалка и низкий от­пуск. Такие детали должны иметь твердую закаленную по­верхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую сердцевину, способную выдерживать динамические нагрузки. Цементации подлежат детали из стали, содержащей до 0,3% углерода. Поверхность деталей насыщается углеродом в пределах от 0,8 до 1% цементации, осуществляется в твер­дых, жидких и газообразных средах. В качестве карбюризато­ра в частности служит смесь древесного угля (60—90%) и углекислых солей бария (ВаСО₃) и натрия (NaCO₃).

При нагреве углерод древесного угля соединяется с кис­лородом воздуха, образуя окись углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода, диффундирую­щего в деталь:

2СОСО₂ + С_{атом;фмый}.

С повышением температуры и времени выдержки толщина цементированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0,5—2 мм на каждые 0,1 мм толщины слоя, требуется выдерж­ка около 1 ч. При массовом и крупносерийном производствах хорошие результаты дает газовая цементация в специальных герметически закрытых печах. По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация дает возмож­ность повысить скорость процесса, увеличить пропускную способность оборудования и производительность труда.

После цементации детали подвергают термической обра­ботке для обеспечения высокой твердости поверхности, ис­правления структуры перегрева и устранения карбидной сетки в цементированном слое. Закалку производят при температу­ре +780—850 °С с последующим отпуском при +150—200 °С.

Нитроцементацией называется процесс химико-термиче­ской обработки, при котором происходит одновременное на­сыщение поверхностных слоев стальных изделий углеродом и азотом в газовой среде. После нитроцементации детали зака­ливают и затем подвергают низкому отпуску при температуре от +160 до +180 "С. Твердость поверхностного закаленного и нитроцементированного слоя — 60—62 HRC. При нитроце­ментации совмещают процессы газовой цементации и азотирования. В газовую смесь входят эндогаз, до 13% природного газа и до 8% аммиака. В рабочее пространство шахтной печи вводят в виде капель жидкий карбюризатор — триэтаноламин. Для легиронанных сталей процесс нитроцементации вы­полняют в атмосфере с минимальным количеством аммиака — доЗ%.

Азотирование применяет­ся с целью повышения твердости поверхности у различных деталей — зубчатых колес, гильз, валов и др. изготовленных из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Азотирование - последняя операция в технологическом про­цессе изготовления деталей. Перед азотированием проводят полную термическую и механическую обработку и даже шли­фование, после азотирования допускается только доводка со съемом металла до 0,02 мм на сторону. Азотированием назы­вается химико-термическая обработка, при которой проис­ходит диффузионное насыщение поверхностного слоя азотом. В результате азотирования обеспечиваются: высокая твер­дость поверхностного слоя (до 72 HRC), высокая усталостная прочность, теплостойкость, минимальная деформация, боль­шая устойчивость против износа и коррозии. Азотирование проводят при температурах от +500 до +520 "С в течение 8-9 ч. Глубина азотированного слоя - 0,1-0,8 мм. По окончании процесса азотирования детали охлаждают до +200-300 "С вместе с печью в потоке аммиака, а затем —-на воздух