Химико-термической обработкой называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами, путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки-поверхностное упрочнение металлов и сплавов и повышение их стойкости против воздействия внешних агрессивных сред при нормальной и повышенной температурах.
Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий :
диссоциации, которая заключается в распаде молекул и образовании активных атомов
диффундирующего элемента .Например, диссоциации окиси углерода 2СО-СО2+С или аммиака 2НN3-3Н2+2N;
адсорбиции, т.е. кантактирования атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла; диффузии, т.е. проникновения насыщающего элемента в глубь металла.
Скорость диффузии при проникновении диффундирующих атомов в решетку растворителя будет выше, если при взаимодействии образуется твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.
Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т.е. отвода этих атомов в глубь металла.
Толщина диффузионного слоя зависит от температуры нагрева, продолжительности выдержки при насыщении и концентрации диффундирующего элемента на поверхности.
Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем выше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше скорость диффузии атомов, а следственно, возрастает толщина диффузионного слоя.
Границы зерен являются участками, где диффузионные процессы облегчают из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если растворимость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по границам зерен. При значительной растворимости диффундирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.
Цементация
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.
Цементацией подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (до 0,25% ), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.) .
Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,10мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, наносимым электрическим способом, или специальными обмазками ,состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.
Цементация осуществляется при температурах выше 900-950с. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует в глубь металла.
В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0 %. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементованного слоя.
Среда, в которой проводят цементацию, называют карбюризатором.
Цементация в твердой среде.
Карбютизатором является активированный древесный уголь, а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы – углекислый барий, кальцинированную соду, поташ в количестве 10-40% от массы угля.
Обычная рабочая смесь, применяется для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75% отработанного.
Подготовленнные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой детали засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей.
Повышенная температура цементации до 950-1000с позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.
После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью HRC 60-63.
Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных из малоуглеродистого мартенсита.
Цементация пастами.
Процесс заключается в нанесение на поверхность обрабатываемой детали слоя вещества в виде суспензии, обмазки или шликера, в сушке и последующим нагреве. Вид пасты определяет технологию ее нанесения. Паста сравнительно жидкой консистенции наносится на детали окунанием, а более густо-с помощью кисти. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше заданной глубины цементованного слоя. Основными компонентами паст являются сажа и кальцинированная сода, кокс малосернистый, сода или поташ.
Высушенные детали аккуратно, чтобы не повредить слой пасты, укладывают одна на другую в ящик и закрывают его крышкой. Ящик загружают в печь с температурой 950-1050с; чем выше температура нагрева, тем меньше длительность процесса. Кроме того, для нагрева деталей можно применять токи высокой и промышленной частоты.
По окончанию выдержки детали охлаждают в ящиках на воздухе. Можно осуществить также подсуживание до закалочной температуры и произвести закалку непосредственно с цементационного нагрева.
Газовая цементация. В настоящие время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечивать более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.
Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного печах непрерывного действия.
При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол.
В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода .
Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3-1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода 0,8%.
После газовой цементации применяют закалку непосредственно из цементационной печи предварительно сделав подстуживание до температуры 850-830с. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180с.
Азотирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650с. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.
При азотировании легированных сталей азот образуется с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость.
Твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает HV 11000-12000.
Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механическую обработку, придающую окончательные размеры изделию.
Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки.
Обычно процесс азотирования ведут при температурах 500-520с. В этом случае получают толщиной до 0,5мм за 24-90ч.
В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров детали.
Процесс жидкого азотирования осуществляется при температуре 570с в расплаве цианосодержащих солей. В ходе процесса расплав непрерывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превращения цианида в цианат, являющийся поставщиком атомов углерода и азота.
Менее распространены процессы азотирования в бесцианистых солях, содержащих азот и в расплавах нейтральных солей, через которые продувают аммиак.
Широкое применение получает ионное азотирование. По сравнению с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность процесса, более высокое качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.
Рабочее давление в камере печи составляет 130-1300Па. При более высоком давлении тлеющий разряд становится менее стабильным и чаще переходит в дуговой. Это может вызвать перегрев поверхности и даже ее оплавление.
Цианирование и нитроцементация.
Цианирование называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.
На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода в слое, снижает температуры- к увеличению содержания азота.
Толщина цианированного слоя также зависит от температуры-и продолжительности процесса. Для цианирования применяют стали, содержащие 0,3-0,4% углерода.