Сущность и виды химико-термической обработки

Свойства стали обусловлены двумя основными факторами – химическим составом и строением (структурой). Химико-термическая обработка использует оба способа воздействия одновременно в одном процессе – изменение структуры и химсостава поверхностного слоя. Таким комбинированным воздействием можно получить взаимоисключающие свойства, например, высокую твердость и вязкость одновременно. Надо иметь в виду, что высокая твердость (износостойкость) присуща лишь тонкому слою, в котором диффузионным способом был изменен химсостав, а вязкость детали в целом обеспечивается свойствами сердцевины.

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в поверхностном насыщении детали различными химическими элементами в области повышенных температур. Как правило, этот процесс дополняется упрочнением термической обработкой (закалкой и отпуском).

В качестве элементов, применяемых для насыщения поверхностных слоев стальных изделий, используются углерод, азот, алюминий, кремний, хром, бор и др. Соответственно такие процессы обработки называются цементацией, азотированием, алитированием, силицированием, хромированием, борированием и т.д. Иногда при ХТО насыщение поверхности осуществляется двумя и более элементами, например, цианирование (насыщение углеродом и азотом одновременно), сульфоцианирование (насыщение углеродом, азотом и серой).

Вещества, в среде которых происходит насыщение, называют диффузантами.

Химико-термическая обработка технологически складывается из двух этапов:

1. Изменение химсостава поверхностного слоя путем диффузионного насыщения его необходимыми элементами (или группой элементов) при высоких температурах.

2. Термообработка детали с учетом разницы в химсоставе поверхностного слоя и основного металла (иногда проводится до насыщения).

Обычно при ХТО детали помещают в среду, богатую элементом, который диффундирует в металл. Диффузионное насыщение проходит в три стадии:

а) Диссоциация. Протекает в газовой среде и состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Например:

2СО® СО₂+С_{акт(газ)}; 2NH₃® 3H₂+2N_{акт(газ)}.

Образующиеся в момент разделения молекул атомы насыщающего элемента обладают большой химической активностью, способностью растворяться в металле.

б) Адсорбция. Происходит на границе газ-металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов. Этот процесс возможен только в том случае, если диффундирующий элемент способен с основным металлом образовывать твердые растворы внедрения или замещения. Адсорбция (прилипание) объясняется тем, что у атомов металла, находящихся на поверхности, свободные связи направлены наружу, что увеличивает поверхностную энергию. При осаждении «чужих» атомов свободные связи используются, что уменьшает поверхностную энергию. Адсорбционная способность возрастает с повышением температуры.

в) Диффузия – это процесс проникновения насыщающего элемента в глубину металла от границы раздела «газ-металл». При этом температура процесса должна обеспечить необходимую активность, подвижность и растворимость атомов насыщающего элемента в металл. В соответствии с термодинамическим законом выравнивания состава диффузия всегда (самопроизвольно) идет от мест с большей концентрацией атомов насыщающего элемента к местам с меньшей концентрацией, т. е. в глубину детали.

Из термодинамики известно, что при постоянной температуре глубина диффузионного слоя y пропорциональна продолжительности процесса и определяется параболической зависимостью

, мм, (4.5)

где t – время процесса в часах;

к – коэффициент концентрации. Он зависит, прежде всего, от температуры, а также от градиента концентраций, типа образующегося твердого раствора (атомы, образующие раствор внедрения диффундируют быстрее).

Из процессов ХТО наиболее широкое практическое применение в производстве и ремонте РАВ нашли цементация и азотирование, несколько реже применяется цианирование и диффузионная металлизация. Классификация видов ХТО представлена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Классификация видов химико-термической обработки