Химико-термическая обработка (ХТО)

Химико-термическая обработка (ХТО) — это термическая обработка, сочетающая тепловое воздействие с химическим, в результате чего изменяется состав и структура в поверхностных слоях, а иногда и по всему объему изделия.

В результате ХТО происходит изменение свойств поверхностного слоя детали, т. е. повышаются твердость, износостойкость, жаростойкость, окалиностойкость, коррозионная стойкость.

Обычно при ХТО деталь помещают в среду, богатую элементом (карбюризатор), который диффундирует в металл.

При ХТО происходят три элементарных процесса:

• — диссоциация, когда под действием температуры в карбюризаторе происходит распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента;
• — адсорбция, которая происходит на границе карбюризатор — деталь и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных активных атомов, получившихся после диссоциации;
• — диффузия, в результате которой происходит проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

В зависимости от диффундирующего насыщающего поверхность элемента различают следующие виды ХТО:

• — цементацию (углерод);
• — азотирование (азот);
• — нитроцементацию (азот + углерод);
• — сульфаазотирование (сера + азот);
• — алитирование (алюминий);
• — хромирование (хром).

Цементация стали.

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой, а сердцевина стали остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что сталь после цементации подвергается закалке.

Цементация выгодно распределяет углерод от поверхности, а термическая обработка (закалка) упрочняет деталь, поверхность и сердцевину.

Поверхность стали после такой обработки имеет высокую твердость и износостойкость при вязкой сердцевине.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода меньше 0,3%, которые должны обладать:

• — закаливаемостью на 29−43 HRC (углеродистые 08, 10, 15, 20; легированные 20ХГТ, 12ХН2);
• — прокаливаемостью, обеспечивающей требуемую структуру сердцевины;
• — наследственно-мелкозернистостью;
• — хорошей технологичностью при насыщении углеродом и последующей термической обработке и обработке резанием.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

Долговечность и надежность цементированных деталей и допустимый уровень их нагружения при эксплуатации определяются следующими параметрами:

• — составом стали;
• — толщиной и структурой цементированного слоя (рис. 12.1);
• — наличием дефектов в слое;
• — твердостью поверхностных слоев и сердцевины.

Рис. 1 Толщина и структура цементированного слоя

На цементацию детали поступают с припуском на шлифование 0,05- 0,1 мм; температура цементации выше Ас3 (930−950 оС). В твердом карбюризаторе 1 мм слоя образуется в течение 8−10 ч, в газовом — 1 мм образуется за 6 — 7 ч.

Твердый карбюризатор — древесный активированный уголь, каменноугольный полукокс и торфяной кокс с добавками активизаторов (BаCО3 и Na2СО3) в количестве 10 — 40% от веса угля.

Газовый карбюризатор — природный газ и жидкие углеводороды.

Для неответственных деталей закалка их может производиться сразу с температур цементации (рис. 12.2,а) или после повторного нагрева до температуры выше Ас1 на 30 оС и охлаждении в воде (рис. 12.2, б).

Для ответственных деталей после цементации делают двойную закалку с нагревом выше Ас1 + 30 оС и охлаждением в воде (рис. 12.2, в).

После любого режима термической обработки делается низкий отпуск (160−180 оС).

Глубина цементированного слоя составляет 0,5 — 2,0 мм (иногда до 4 мм) с концентрацией углерода 0,8 — 1,2% (рис. 12.1).

За глубину цементированного слоя принимают глубину слоя со структурой заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,4% (рис. 12.1).

При цементации получаем твердость поверхностного цементированного слоя углеродистой стали 60−64 HRC (900HV), для легированной 58−61HRC (снижение твердости происходит за счет наличия в структуре остаточного аустенита); твердость сердцевины составляет 20−35HRC.

Азотирование стали.

Азотирование — это процесс насыщения поверхностного слоя азотом.

Цель такой обработки изделия: получение высокой твердости, износостойкости, повышенной усталостной прочности, сопротивления коррозии. Карбюризатором является аммиак (NH3 > 3H + N).

Азотированию при температуре 500 — 600 оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск). К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю). Глубина азотированного слоя составляет 0,3 — 0,6 мм, скорость азотирования — 0,01 мм/ч и менее.

Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.

Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.

диффузия термический коррозионный.