Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка - это вид термической обработки, заключающийся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла.

Цель химико-термической обработки - предоставить поверхностному слою металлической детали повышенной твердости, износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и др.. Для этого нагретые детали помещают в среду, из которой в процессе диффузии в поверхностный слой переходят некоторые элементы ( углерод, азот, алюминий, хром, кремний, бор и др.)..


1. Этапы процесса

Процесс химико-термической обработки является многоступенчатым, и включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в среде насыщения у поверхности или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, т.е. количество активных атомов возникающих в единицу времени, зависит от

  • состава и агрегатного состояния среды насыщения, может быть твердым, жидким или газообразным;
  • взаимодействия отдельных составляющих между собой;
  • давления;
  • температуры;
  • химического состава металла, подлежащей обработке.

2. Адсорбция поверхностью насыщения активных атомов, которые образовались. Адсорбция является сложным процессом, ход которого носит нестационарный характер. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов элемента насыщения (адсорбата) с обрабатываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря притягательной действия сил Ван дер Ваальса, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции - десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которая по своему характеру и силе близка к химической.

3. Диффузия - перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, что обеспечивает энергию необходимую для протекания процесса.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является важнейшей характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как

  • температура насыщения;
  • продолжительность процесса насыщения;
  • состав металла, т.е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов;
  • градиент концентраций насыщает элемента между поверхностью изделия и в глубине слоя насыщения.

2. Виды химико-термической обработки стали

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются: цементация, азотирования, цианирования, диффузионная металлизация.

Цементацией называется процесс насыщения поверхности стального изделия углеродом. После закалки такого изделия он становится твердым на поверхности и вязким в сердцевине. Цементации подвергают в основном детали, работающие на истирание и удар одновременно. Цементация применяется для малоуглеродистых сталей. Используют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором и газовая цементация.

Азотирования - это технологический процесс насыщения поверхностного слоя изделия азотом, чтобы придать поверхностному слою изделия высокой твердости, повысить износостойкость и сопротивление агрессивным средам. Азотують преимущественно легированную сталь, содержащая алюминий, титан, ванадий, вольфрам, молибден или хром. Эти элементы, при взаимодействии с азотом, образуют твердые, устойчивые к агрессивным средам нитриды (TiN и т.д.).

Цианирования (карбонитрации) - насыщение поверхностного слоя изделий одновременно азотом (в большей степени) и углеродом (в меньшей степени). Оно бывает жидкостное и газовое, низкотемпературное (773 ... 973 К), высокотемпературное (1073 ... 1123 К). Цианирования в основном применяют для обработки инструментов с быстрорежущей стали, повышается твердость и коррозионная стойкость.

Нитроцементация - насыщение атомами преимущественно углерода и в меньшей степени азота. Используют для повышения износостойкости.

Диффузионная металлизация - насыщение поверхностного слоя изделия различными металлами. Процесс в расплавах металлов, если металл имеет невысокую температуру плавления (цинк, алюминий), или в газовой среде хлоридов металлов (CrCl 3, AlCl 3, SiCl 4 и т.д.). Между хлоридом и железом протекает реакция обмена, в результате которой образуется активный атомарный элемент, диффундирует в поверхностный слой. Диффузионная металлизация проводится для повышения жесткости, коррозионной стойкости, жаростойкости, блеска и эстетического вида. Самые распространенные виды диффузионной металлизации:

  • алитирование (насыщение алюминием), используется для деталей, работающих при высоких температурах;
  • хромирование (насыщение хромом), сопровождается образованием диффузионного слоя из твердого раствора хрома в α-железе и включений карбидов хрома с твердостью 1200 ... 1300 НV и глубиной 0,15 ... 0,2 мм. Используют для деталей, работающих на износ в агрессивных средах;
  • борирования (насыщение бором), который обеспечивает высокую жесткость (1800 ... 2000 НV), износостойкость и стойкость против коррозии в различных средах;
  • Силицирование (насыщение кремнием), что способствует высокой коррозионной стойкости в морской воде, а также некоторых кислотах.

См.. также

Источники