Тема 9 Хіміко-термічна обробка сталі (ХТО)

Хіміко-термічна обробка є одним з ефективних способів поверхневого зміцнення деталей машин та інструментів. Вона полягає в насичені поверхневого щару сталі заданим елементом (або декількома). Найбільш поширеними видами ХТО є цементація, азотування, ціанування.

Фізичною основою хіміко-термічної обробки є дифузія насичуючого елемента в атомарному стані в поверхневі шари виробу з зовнішнього середовища.

Дифузія можлива завдяки тому, що атоми твердих тіл покидають свої місця і переходять в інші, а на їх місце можуть потрапити атоми дифундуючого елементу. Оскільки дифузія зумовлена тепловим рухом атомів, то прискорення цього процесу відбувається при підвищенні температури.

Законами дифузії вважають закони Фіка.

Перший закон Фіка

dm = - Ddc/dx dsdt. При постійній температурі кількість дифундуючої речовини dm в одиницю часу dt через одиницю поверхні ds пропорційна градієнту концентрації dc/dx і коефіцієнту дифузії Д(см2/с).

Коли градієнт концентрацій змінюється і часі, а коефіцієнт дифузії вважають незалежним від концентрації. Процес дифузії описують другим законом Фіка, який виводиться з першого:

dc/dt = Dd2c/dx2

Коефіцієнт дифузії Д(см2/с) визначає швидкість дифузії при перепаді концентрацій, що дорівнює одиниці. Він залежить від складу сплава, розмірів зерен та температури процесу.

Коефіцієнт дифузії визначається за формулою:

  .

де А - коефіцієнт, який залежить від виду кристалічної решітки;

Q - енергія активації;

е - основа натуральних логарифмів;

R - газова постійна;

Т - абсолютна температура.

Закони дифузії широко використовуються не тільки при хіміко-термічній обробці, а також при дифузійній металізації, при виготовленні деталей методом порошкової металургії, дифузійному зварюванні, в вимірювальній техніці.

Види ХТО

Цементація - це процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Цементації піддають деталі, які повинні мати високу твердість, зносостійкість поверхні та в`язку серцевину. Цементації піддають зубчасті колеса, пальці, черв`яки, валики. Ці деталі виготовляють з низьковуглецевих сталей, які містять до 0,3 % вуглецю (сталь 10, 20, 20Х, 20ХР, 15ХФ, 12ХН3А, 18ХГТ).

Поверхневий шар насичують вуглецем до концентрації 0.8-1.0 % С. Глибина насичення 0,5-2,5 мм. Кількість вуглецю змінюється від поверхні вглиб до вихідного значення. Структура сталі відповідно змінюється від (П+ЦII) на поверхні до П і (П+Ф) вглиб деталі. Кількість фериту зростає при наближенні до центру. Враховуючи,. що аустеніт максимально розчиняє до 2,14 % С,. а ферит до 0,025 % С, цементацію проводять при температурах вищих за Ас3 - (930-950 °С).

Насичуючим середовищем при цементації може бути твердий,.газоподібний чи рідкий карбюрізатор. Газоподібний карбюрізатор містить 92-96 % метану (СН4) та деяку кількість окису вуглецю (СО).

При газовій цементації відбуваються такі реакції:

СН4 ® С + 2Н2

2СО ® С + СО2

Твердий карбюрізатор складається з деревного вугілля з додатком вуглекислих солей барію або натрію (75-85 березового вугілля, 20-30 % ВаСО3 або Na2CО3). В процесі цементації відбуваються такі реакції:

2С + О2 =2CO

ВаСО3  + С ®ВаО + 2СО

2СО = С + СО2

Атоми вуглецю, що утворилися в результаті цих реакцій, потрапляють в решітку g-заліза і через дифузію проникають на певну глибину в поверхневі шари деталей.

Рідкий карбюрізатор складають розплави солей (75-80 % Na2CО3, 15 % NaCl і 6-10 % SiC).

При газовій цементації можна досягти утворення навуглецьованого шару завтовшки 0,5-1,0 мм за 6-8 годин; при використанні рідкого карбюрізатора цементований шар глибиною 0,1-0,2 мм утворюється за 30-40 хв.

Після цементації вироби піддають гартуванню та низькому відпуску. На поверхні твердість НRC 60...62. структура мартенсит відпуску, а в серцевині НRC 26...28, структура сорбіт.

Азотування - процес дифузійного насичення поверхні деталей азотом. Азотуванню піддають деталі після проведеної термічної обробки (гартування та високого відпуску). З метою підвищення їх твердості, зносостійкості, корозійної стійкості. Це такі деталі, як гільзи, штоки клапанів, шийкі колінчастих валів, копіри. Твердість сталі після азотування 1000...1200 НV. Після азотування на поверхні утворюється шар глибиною 0,4-0,6 мм, він містить значну кількість нітридів. Які й забезпечують високу твердість.

Азотування проводять для деталей із сталей 38ХМЮА, 38Х2МЮА, 45. Процес ведуть в печах в середовищі аміаку при температурі 500...520 °С. При цьому внаслідок дисоціації аміаку утворюється атомарний азот, який адсорбується поверхнею деталі і дифундує вглиб.

2NH3 ® 3H2 + 2N

Атомарний азот утворює нітриди заліза, хрома, марганца, титану

(Fe4N, Fe3N, CrN, Cr2N, MnN, TiN)

Швидкість дифузії азоту в залізо дуже мала, тому витримка при азотуванні досить велика 24-80 годин. Якщо азотування проводять з метою підвищення корозійної стійкості, то температуру підвищують до 600...700 °С, тривалість процесу зменшується до 0,5-8 годин.

Ціанування - процес одночасного дифузійного насичення поверхні сталі вуглецем до (0,7 %) та азотом (до 1,2 %) його поділяють на високотемпературне (900...950 °С) і низькотемпературне (540...560 °С).

В першому випадку поверхня насичується переважно вуглецем; в другому - азотом. Після ціанування проводять гартування та низький відпуск. Ціанування проводять з метою підвищення міцності, зносостійкості невеликих деталей, які піддаються невеликим питомим навантаженням.

Насичуючим середовищем є розплави солей, які містять групу СN - NaCN, та інші компоненти для здійснення реакцій - (NaCl, NaCO3)

2NaCN + O2 = 2NaCNO;

2NaCNO + O2 = Na2CO3 + CO + 2N;

2CO = CO2 + C.

Тривалість процесу 30-90 хвилин, глибина насиченого шару 0,15-0,35 мм. Твердість після термічної обробки - HRC 58...62.

Низькотемпературне ціануванняя проводять з метою підвищення стійкості інструменту з швидкоріжучої сталі. Його проводять в рідкому чи твердому середовищі при температурі 540..570 °С. Термічну обробку інструменту проводять до ціанування. Товщина ціанованого шару 0,02-0,07 мм досягається за 15-30 хвилин. На поверхні утворюються нітриди, карбіди, які підвищують твердість сталі до 1000...1100 НV та її теплостійкість. Істотним недоліком ціанування у рідких середовищах є велика струйність ціанистих солей.

Дифузійна металізація - це процес насичення поверхні сталі різними елементами. Розрізняють хромування (насичення хромом), алітування (алюмінієм), сіліціювання (кремнієм).

Вироби, поверхня яких насичена цими елементами, набувають високої жаростійкості, корозійної стійкості, підвищеної зносостійкості та твердості. Основними способами дифузійного насичення металами є - занурення в розплавлений метал (Al, Zn):

насичення з розплавлених солей, які містять дифундуючий елемент;

насичення з сублімованої фази шляхом випаровування дифундуючого елемента;

насичення з газової фази, яка складається з галогенних сполук дифундуючого елемента.

Дифузійне хромування проводять у порошку ферохрому з потовченим шамотом, змоченим соляною кислотою, або у газі. Що складається з хлоридів хрому при температурі 1000-1200 °С. На поверхні утворюється шар багатий хромом, який утворює спеціальні карбіди хрома (Сr, Fe)7C3 (Сr, Fe)23C6. Карбідний шар має високу твердість - 1200-1300 НV.

Дифузійне алітування проводять в порошковій суміші (49 % фероалюмінію, 49 % оксиду алюмінію, 2 % нашатирю NH4Cl) при температурі 950-1000 °С протягом 4-16 годин. Сталь набуває підвищеної корозійної стійкості внаслідок утворення на поверхні плівки Al2O3.

Силіціювання проводять для підвищення стійкості виробів в морській воді, кислотах. Використовують для цього суміші порошків (70 % феросиліцію, 20 % шамоту, 5 % НCl), або газ (SiCl4). Температура процесу 950-1000 °С. Кремній утворює з залізом твердий розчин. Твердість насиченого шару 200-300 НV.

Борування -- насичення поверхні деталей бором для підвищення твердості, стійкості до зносу в абразивних середовищах, корозіє-, кислото-, жаро- і теплостійкості. Борують деталі, які вимагають високої твердості. Твердість борованого шару становить НУ 1800...2000, а товщина — до 0,3 мм. Застосовують тверді, рідкі, електролізні та газові способи борування. Електролізне борування виконують за температури 900...950 °С у тиглі з розплавленою бурою Ка2В4О6, куди завантажують деталі — катод, графітовий стержень — анод. Процес супроводжується утворенням атомарного бору, який адсорбується поверхнею деталі та дифундує в глибину. За газового борування процес протікає в суміші, яка складається з діборану В2Н6 І; та водню, за температури 850...900 °С.