ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области Петровский агропромышленный лицей

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ХИМИКО – ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ И ЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ

Существуют различные способы воздействия на
сталь с целью придания ей требуемых свойств.
Один из комбинированных методов — химико-
термическая обработка стали (ХТО).

Суть данной технологии состоит в
преобразовании внешнего слоя материала
насыщением. Химико-термическая обработка
металлов и сплавов осуществляется путем
выдерживания при нагреве обрабатываемых
материалов в средах конкретного состава
различного фазового состояния. То есть, это
совмещение пластической деформации и
температурного воздействия.

Это ведет к изменению параметров стали, в чем
состоит цель химико-термической обработки.
Таким образом, назначение данной технологии
— улучшение твердости, износостойкости,
коррозионной устойчивости.
В сравнении с прочими технологиями химико-
термическая обработка выгодно отличается тем,
что при значительном росте прочности
пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и
длительность выдержки.

Рассматриваемый процесс включает три этапа:
диссоциацию;
адсорбцию;
диффузию.
Интенсивность диффузии увеличивается в случае
формирования растворов внедрения и
снижается, если вместо них формируются
растворы замещения.

На размер диффузионного слоя влияют
температура и длительность выдержки. Данные
параметры связаны прямой зависимостью. То
есть с ростом концентрации насыщающего
элемента возрастает толщина слоя, а повышение
интенсивности теплового воздействия приводит к
ускорению диффузии, следовательно, за тот же
промежуток времени она распространится на
большую глубину.

Большое значение для протекания процесса
диффузии имеет растворимость в материале
обрабатываемой детали насыщающего элемента.
В данном случае играют роль пограничные слои.
Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ
зерен множества кристаллических дефектов
диффузия происходит более интенсивно.
Особенно это проявляется в случае малой
растворимости насыщающего элемента в
материале. При хорошей растворимости это
менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется
при фазовых превращениях.

При газовом методе элемент насыщения
формируют реакции диссоциации,
диспропорционирования, обмена,
восстановления. Наиболее часто в
промышленности для создания газовой и
активной газовой сред используют нагрев
твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто
газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого
регулирования состава, отсутствия
необходимости повторного нагрева,
возможности автоматизации и механизации.

ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ
Это поверхностное насыщение стали металлами.
Возможно проведение в жидкой, твердой,
газовой средах. Твердый метод предполагает
использование порошков из ферросплавов.
Жидкой средой служит расплав металла
(алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод
предполагает использование хлористых
металлических соединений.

Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется
малой интенсивностью диффузии металлов в
сравнении с азотом и углеродом, так как вместо
растворов внедрения они формируют растворы
замещения.
Такая химико-термическая операция
производится при 900 — 1200°С. Это
дорогостоящий и длительный процесс.
Основное положительное качество —
жаростойкость продуктов. Ввиду этого
металлизацию применяют для производства
предметов для эксплуатационных температур 1000
— 1200°С из углеродистых сталей

По насыщающим элементам металлизацию
подразделяют на алитирование (алюминием),
хромирование, борирование, сицилирование
(кремнием).

Первая химико-термическая технология придает
материалу стойкость к окалине коррозии, однако на
поверхности после нее остается алюминий. Алитирование
возможно в порошковых смесях либо в расплаве при
меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и
проще.
Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и
окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и
среднеуглеродистых сталей оно также улучшает
износостойкость и твердость. Данная химико-термическая
операция в основном производится в порошковых смесях,
иногда в вакууме.

Основное назначение борирования состоит в
улучшении стойкости к абразивному износу.
Распространена электролизная технология с
применением расплавов боросодержащих солей.
Существует и безэлектролизный метод,
предполагающий использование хлористых
солей с ферробором или карбидом бора.
Сицилирование увеличивает стойкость к
коррозии в соленой воде и кислотах, к износу
и окалине некоторых металлов.

НАУГЛИРОЖИВАНИЕ (ЦЕМЕНТАЦИЯ)
Это насыщение поверхности стальных предметов
углеродом. Данная операция улучшает твердость,
износостойкость, а также выносливость
поверхности материала. Нижележащие слои
остаются вязкими.
Данная химико-термическая технология
подходит для предметов из низкоуглеродистых
сталей (0,25%), подверженных контактному
износу и переменным нагрузкам.

Предварительно необходима механическая
обработка. Не цементируемые участки
покрывают слоем меди либо обмазками.
Температурный режим определяется
содержанием углерода в стали. Чем оно ниже,
тем больше температура. Для адсорбирования
углерода и диффузии в любом случае она должна
составлять 900 — 950°С и выше.
Таким образом, путем насыщения поверхности
стальных деталей углеродом достигают
концентрации данного элемента в верхнем слое
0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению
хрупкости.

Цементацию осуществляют в среде, называемой
карбюризатором. На основе ее фазы технологию
подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в
твердой среде, ионную.
При первом способе применяют
каменноугольный полукокс, древесный уголь,
торфяной кокс. С целью ускорения используют
активизаторы и повышают температуру. По
завершении материал нормализуют. Ввиду
длительности и малой производительности данная
химико-термическая технология используется в
мелкосерийном выпуске.
Вторая технология предполагает использование
суспензий, обмазок либо шликеров.

Газовую среду наиболее часто применяют при
цементации ввиду скорости, простоты, возможности
автоматизации, механизации и достижения
конкретной концентрации углерода. В таком случае
используют метан, бензол или керосин.
Более совершенный способ — вакуумная
цементация. Это двухступенчатый процесс при
пониженном давлении. От прочих методов
отличается скоростью, равномерностью и светлой
поверхностью слоя, отсутствием внутреннего
окисления, лучшими условиями производства,
мобильностью оборудования.
Ионный метод подразумевает катодное распыление.

Цементация — промежуточная химико-
термическая операция. Далее осуществляют
закалку и отпуск, определяющие свойства
материала, такие как износостойкость,
выносливость при контакте и изгибе, твердость.
Главный недостаток — длительность.

АЗОТИРОВАНИЕ
Данным термином называют насыщение материала
азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 —
650°С.
С легирующими данный элемент формирует нитриды,
характеризующиеся дисперсностью, температурной
устойчивостью и твердостью.
Такая технология химико-термической обработки
увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.
Необходима предварительная механическая и
термическая обработка для придания окончательных
размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом
либо жидким стеклом.
Обычно используют температурный интервал от 500 до
520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина
определяется длительностью, составом материала,
температурой.

Азотирование приводит к увеличению
обрабатываемых деталей вследствие
возрастания объема верхнего слоя. Величина
роста напрямую определяется его толщиной и
температурным режимом.
При жидком способе применяют
цианосодержащие, реже бесцианитные и
нейтральные соли. Ионная химико-термическая
операция отличается повышенной скоростью.
Азотирование подразделяют по целевым
свойствам: им достигается или улучшение
устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости
к износу и твердости.

ЦИАНИРОВАНИЕ, НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ
Это технология насыщения стали азотом и
углеродом. Таким способом обрабатывают стали
с количеством углерода 0,3 — 0,4%.
Соотношение между углеродом и азотом
определяется температурным режимом. С его
ростом возрастает доля углерода. В случае
пересыщения обоими элементами слой обретает
хрупкость.
На размер слоя влияет длительность выдержки и
температура.

СУЛЬФИДИРОВАНИЕ, СУЛЬФОЦИАНИРОВАНИЕ
Это новая химико-термическая технология,
направленная на улучшение износостойкости.
Первый метод состоит в насыщении материала
серой и азотом путем нагрева в серноазотистых
слоях.
Сульфоцианирование подразумевает насыщение
углеродом, помимо названных элементов.