8.4.2 Химико-термическая обработка

Целью ХТО также является повышение твердости и износостойкости поверхности при сохранении вязкой сердцевины (иногда обеспечивают и другие специальные свойства поверхности, например коррозионную стойкость). Однако цель достигают другим путем – за счет изменения химического состава поверхности диффузионным насыщением ее атомами различных элементов (C; N; Cr; B; Al и др) – цементация, азотирование, нитроцементация, диффузионное хромирование, борирование, алитирование.

Во время химико-термической обработки должны одновременно происходить следующие три процесса:

- выделение во внешней среде насыщающего компонента в атомарном виде;

- абсорбция этих атомов поверхностью изделия;

- диффузия атомов в глубь металла.

Самым медленным из этих процессов является диффузия, поэтому именно скоростью диффузии определяется общая скорость процесса насыщения. Хорошо известно, что эта скорость экспоненциально возрастает с повышением температуры.

Цементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных деталей углеродом. Назначение цементации - получить на поверхности высокую твердость, износостойкость и повышенную усталостную прочность с сохранением при этом высокой вязкости сердцевины, предохраняющей детали от хрупкого разрушения при работе с динамическими нагрузками. Эти свойства достигаются обогащением углеродом поверхностного слоя изделия из стали с небольшим содержанием углерода и последующей термической обработкой.

Детали, подвергающиеся цементация, изготавливают из цементуемых конструкционных сталей. Это углеродистые и легированные стали с низким содержанием углерода (обычно не более 0,3 % С), например, 10, 15, 20, 15Х, 18ХГТ, 25ХГМ, З0ХГТ, 20Х21Н4А. Благодаря низкому содержанию углерода обеспечивается достаточная вязкость сердцевины в готовой цементованной детали.

Цементация производится при температурах, когда сталь находятся в аустенитном состоянии. При этом ускорена диффузия углерода и облегчено образование атомарного углерода за счет пиролиза органических углеводородных веществ.

Наиболее часто цементацию проводят при 930 – 950°С, для ускорения процесса температуру иногда повышают до 1000 - 1050 °С. Глубина получаемых слоев зависит от температуры нагрева и длительности выдержки (рис. 8.10).

Обычно получаемая глубина цементованного слоя находится в пределах 0,5 - 2 мм. Содержание углерода в поверхности изделия должно достигать 0,8 - 1,1 %. При более высоком содержании углерода образуется значительное количество вторичного цементита, придающего слою повышенную хрупкость.

мм

2,8

2,0

1,2

0,4

Рисунок 8.10 - Влияние температуры нагрева и длительности выдержки на глубину цементованного слоя

Цементацию проводят в твердом, жидком и газообразном карбюризаторах.

Твердый карбюризатор – это обычно гранулированный древесный уголь в который как катализатор добавляют немного BaCO₃ или Na₂CO₃. Для такой цементации не нужно специальное оборудование. Детали помещают в стальной ящик, засыпают карбюризатором, затем слоем песка, утрамбовывают, закрывают крышкой и делают обмазку огнеупорной глиной. Затем помещают в любую печь, которая дает необходимую температуру. Обычно такой способ цементации применяют в условиях единичного или мелкосерийного производства. При этом трудно контролировать и управлять параметрами процесса.

Более прогрессивной является газовая цементация, для которой необходимо специальное оборудование – цементационные печи в рабочем пространстве которых создается и поддерживается на протяжении всего процесса атмосфера специального состава. Однако в этом случае параметры процесса хорошо контролируются и управляются. Этот способ цементации используют при массовом и крупносерийном производстве.