Химико-термическая обработка металлов

 

Химико-термической обработкой (ХТО) называ­ется процесс насыщения поверхностного слоя металла различ­ными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Такой процесс называют также поверхностным легированием.

При внедрении легирующих элементов в поверхностный слой металла его свойства изменяются. Таким способом можно улучшить различные свойства металлов. Целью химико-термической обработки являются повышение твердости, износостойкости, увеличение усталостной выносливости, придание коррозионной стойкости против воздействия агрессивных сред.

Внедряемые элементы могут быть как металлами, так и неметаллами. Например:

неметаллические – углерод С, азот N, кремний Si, бор B и др.

металлические – хром Cr,алюминий Al, цинк Zn и др.

Рассмотрим процесс диффузионного насыщения поверхности металла легирующим элементом (рис.45.). На поверхности металла создается избыточная концентрация элемента, который необходимо внедрить в металл, причем элемент должен находится в активном атомарном состоянии. Затем проис­ходит адсорбция или связывание атомов поверхностью металла. После чего эти атомы элемента внедряются вглубь металла.

Таким образом, весь процесс ХТО состоит их трех этапов:

1. Создание среды активных атомов

2. Адсорбция атомов поверхностью металла

3. Диффузия атомов вглубь металла

Активная среда может быть в различных агрегатных состояниях:

· Твердом

· Жидком

· Газообразном

Для того чтобы атомы активно перемещались вглубь металла, его нагревают, ускоряя процесс диффузии.

В результате обработки образуется диффузионный слой, т.е. слой материала у поверхности детали, отличающийся по химическому составу, структуре и свойствам от исходного. На рис. 46 показан график изменения концентрации насыщающего элемента от глубины от поверхности металла.

Толщина образующегося диффузионного слоя зависит от условий протекания процесса насыщения. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, тем больше толщина слоя.

Рост толщины диффузионного слоя от длительности процесса при неизменных прочих условиях подчиняется квадратичной закономерности (рис. 47а):

, (42)

где τ – длительность процесса ХТО,

А – константа

А зависимость от температуры, при постоянной длительности процесса и прочих условий, определяется экспоненциальной функцией (рис. 47б):

, (43)

где Q – энергия активации диффузии, T – абсолютная темпе­ратура, k – постоянная Больцмана, B – константа характери­зую­щая протекающий процесс.

По названию внедряемого элемента процесс ХТО имеет разные названия:

при внедрении

Бора – борирование,

Хрома – хромирование,

Углерода – цементация, и т.д.

Рассмотрим основные процессы подробнее.

 

Цементация

Цементацией называется процесс насыщения по­верхностного слоя стальных изделий углеродом С.

При этом у металла увеличивается твердость поверхности, но в то же время сохраняется вязкость внутренних слоев металла. Такое благоприятное сочетание свойств увеличивает срок службы деталей, подвергающихся трению и ударным нагрузкам.

Цементация проходит при условиях:

температура t = 900–950 ˚C

длительность τ = 6–12 ч

толщина образующегося диффузионного слоя ∆ = 0,8–1,7мм

Различают два способа цементации: в твердой и газовой среде.

1. В первом используется среда древесный уголь, это почти чистый углерод. Подготовленные для цементации детали укладыва­ют в металлический ящик и засыпают углём (рис.48.). Далее ящик закрывают и нагревают до необходимой температуры. В результате нагрева происходят реакции:

2C + O₂ → CO

2CO ↔ CO₂ + C

Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. В итоге один активный атом углерода образует защитный слой.

2. Второй способ – газовая цементация. Активная среда – метан. При нагреве происходит диссоциация молекул, с выделением атомарного углерода:

CH₄ → 2H₂ + C

Газовая цементация позволяет механизировать и автоматизировать процесс, поэтому используется при массовом производстве.

В результате цементации механические свойства деталей значительно возрастают:

· твердость поверхности возрастает в 1,5-2 раза

· износостойкость на 30-50%

 

Азотирование

Азотированием называется процесс насыщения поверхности металла азотом N. Для создания активной среды используют газ аммиак (NH₃), который под действием высокой температуры диссоциирует, выделяя атомарный азот:

2NH₃ → 2N + 3H₂

Условия протекания процесса:

t = 500 – 650 ˚C

τ = 24 – 60 ч

∆ = 0,3 – 0,6 мм

Азот диффундирует в поверхностные слои металла, образуя нитриды, которые придают азотированному слою высокую прочность. Кроме повышения твердости, износостойкости, улучшается коррозионная устойчивость.

Нитроцементация

Нитроцементация – процесс одновременного насыщения поверхности металла азотом N и углеродом С. Средой является газовая смесь метана и амммиака.

Условия протекания процесса:

t = 840 – 860 ˚C

τ = 4 – 10 ч

∆ = 0,2 – 0,8 мм

Преимуществом данного процесса является то, что одновременная диффузия азота и углерода происходит гораздо быстрее, чем азотирование и цементация в отдельности. Поэтому из-за большей производительности и соответственно меньших затрат энергии, нитроцементация широко используется на автомобильных и тракторных заводах. Например, на ВАЗе такой химико-термической обработке подвергают 95% деталей.

Цианирование

Обработка металла в жидкой среде расплавленных цианистых солей натрия NaCN.

Условия протекания процесса:

t = 820 - 920 ˚C

τ = 0,5– 1 ч

∆ = 0,15 -0,35 мм

Преимущество цианирования – меньшая продолжительность процесса для по­лучения слоя заданной толщины; более высокое сопротивление износу и по­вышенная усталостная прочность.

Недостатком цианирования является сильная ядовитость циа­нистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением строгих мер предосторожности.

Борирование

Борирование – процесс насыщения поверхности металла бором В. Образующиеся соединения с металлом – бориды, очень твердые вещества. Борирование увеличивает твердость и износостойкость от 2 до 10 раз. Такой обработке подвергают трущиеся детали, штамповый инструмент, подвергающийся большим нагрузкам.

Силицирование

Это процесс насыщения металла кремнием Si. Образующиеся силициды железа имеют пористую структуру и невысокую твердость. Однако слой толщиной 0,3–1 мм на поверхности детали после пропитки маслом резко снижает трение и повышает износостойкость. Кроме того повышается коррозионная стойкость к воздействию морской воды и окислению.

 

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности деталей различными металлами. Диффузия металлов идет значительно медленнее, чем азота или углерода, поэтому образующиеся слои в десятки раз тоньше.

В зависимости от рода металла процессы называют алитирование Al, хромирование Cr, цинкование Zn и т.д. В результате металлизации повышается коррозионная стойкость, твердость, износостойкость. Такой обработке подвергают детали паросилового оборудования, патрубки, вентили, клапаны, работающие в агрессивных средах. Применяют обработку и для декоративных целей, улучшения внешнего вида изделий.