Основы химико-термической обработки

Для повышения долговечности наиболее ответственных деталей машин широко используются процессы цементации, нитроцементации и азотирования. В гораздо меньшей степени применяется поверхностное насыщение бором, кремнием и металлами. Примером могут служить детали автомобилей, станков, тракторов, сельскохозяйственных, текстильных и других машин, подвергаемых цементации, нитроцементации и азотированию. Большинство деталей машин работает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. Химико-термическая обработка, повышая твердость, износостойкость, задиростокость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность машин.

Все виды химико-термической обработки являются диффузионными, причем диффузия в металлах и сплавах возможна лишь в том случае, если диффундирующий элемент образует с основным металлом твердый раствор. В твердых растворах внедрения атомы диффундирующего элемента перемещаются между узлами решетки, а в растворах замещения их перемещение возможно лишь при условии выхода части атомов основного металла из узлов решетки и заполнения образующихся вакантных мест атомами диффундирующего вещества. В последнем случае перемещение атомов, а, следовательно, и процесс диффузии идет замедленно.

При цементации, нитроцементации и азотировании углерод и азот, образующие с железом твердый раствор внедрения, диффундируют при равных условиях в сталь быстрее, чем скажем хром, образующий твердый раствор замещения. Поэтому при диффузионной металлизации, в том числе хромировании, даже в услових высоких температур и длительных выдержках слой получается сравнительно малым.

Процесс диффузионного насыщения может осуществляться только при определенных условиях.

Первым необходимым условием является образование активных атомов элемента, которым насыщается металл. Такие атомы возникают в момент диссоциации (разложения) соединений содержащих данный элемент.

Например, при цементации происходит диссоциация окиси углерода с образованием активных атомов углерода:

2СО <=> СО₂ + С;

При азотировании происходит диссоциация аммиака с образованием активных атомов азота:

2NН₃ <=> N₂ + 3Н₂;

Вторым условием, необходимым для процесса диффузионного насыщения, является адсорбция. При контакте активных атомов с поверхностью металла возникают химические связи, вследствие которых эти атомы удерживаются (адсорбируются) на поверхности. Процесс адсорбции зависит от свойств поверхности металла, природы адсорбируемых атомов, температуры и других условий.

Третьим условием, необходимым для осуществления поверхностного насыщения, является диффузия адсорбированных атомов вглубь основного металла.

Диссоциация, адсорбция и диффузия – три последовательные стадии одного процесса.

Основные методы насыщения, применяемые при химико-термической обработке:

1. Насыщение из порошковых смесей. Этот метод благодаря простоте технологического процесса нашел применение в мелкосерийном и серийном производстве. Однако, метод малопроизводительный и трудоемкий, к тому же достаточно экологически грязный.

2. Диффузионное насыщение из газовых сред. Этот метод позволяет регулировать активность насыщающей атмосферы, он широко применяется в крупносерийном и серийном производстве для цементации, нитроцементации и азотирования. Газовый метод обеспечивает высокое качество диффузионного слоя и поверхности обрабатываемого изделия.

3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом или без применения электролиза). Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает высокое качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя. Метод требует эффективной вентиляции и дополнительных мер по технике безопасности и охране труда, особенно при применении вредных цианистых солей при азотировании.

4. Насыщение из паст и суспензий. Эти методы не нашли широкого распространения, так как часто не обеспечивают получение равномерного слоя. Однако насыщение из паст может быть рекомендовано для местного упрочнения поверхности и при обработке крупногабаритных деталей.

5. Диффузионное насыщение с использованием вакуума. Насыщение происходит из сублимированной фазы испарением диффундирующего элемента при высоких температурах в вакууме. Обрабатываемые изделия могут находиться в контакте с порошковой смесью, содержащей диффундирующий элемент, или располагаться на расстоянии от нее. Насыщение в вакууме - перспективный метод ХТО, однако требует больших капитальных затрат, высококвалифицированного обслуживающего персонала и отдельного помещения.