Химико термическая обработка металлов

Обновлено: 01.01.2025

металлов, совокупность технологических процессов, приводящих к изменению химического состава, структуры и свойств поверхности металла без изменения состава, структуры и свойств его сердцевидных зон. Осуществляется с помощью диффузионного насыщения поверхности различными элементами при повышенных температурах. Выбор элемента (или комплекса элементов) определяется требуемыми свойствами поверхности детали. Насыщение производят углеродом (Цементация), азотом (Азотирование), азотом и углеродом (Нитроцементация, Цианирование), металлами (см. Диффузионная металлизация), бором (Борирование), кремнием (Силицирование) и т.д.

В зависимости от физико-химического состояния среды, содержащей диффундирующий элемент, различают Х.-т. о. из газовой, жидкой, твёрдой или паровой фазы (чаще применяются первые 2 метода). Х.-т. о. проводится в газовых, вакуумных или в ванных печах. Х.-т. о. подвергаются изделия из стали, чугуна, чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия и др.

Физико-химические процессы, происходящие вблизи поверхности при Х.-т. о., заключаются в образовании диффундирующего элемента в атомарном состоянии вследствие химических реакций в насыщающей среде или на границе раздела среды с поверхностью металла (при насыщении из газовой или жидкой фазы), сублимации диффундирующего элемента (насыщение из паровой фазы), последующей сорбции атомов элемента поверхностью металла и их диффузии (См. Диффузия) в поверхностные слои металла. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, а также структура и свойства диффузионного слоя зависят от метода Х.-т. о. Глубина диффузии элемента возрастает с повышением температуры (по экспоненциальному закону) и с увеличением продолжительности процесса (по параболическому закону). Диффузионный слой, образующийся при Х.-т. о. деталей, изменяя структурно-энергетическое состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только на физико-химические свойства поверхности, но и на объёмные свойства деталей. Х.-т. о. позволяет сообщить изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность и т.д. (см. статьи о конкретных процессах Х.-т. о.).

Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965; Райцес В. Б., Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах, М., 1965; Самсонов Г. В., Эпик А. П., Тугоплавкие покрытия, 2 изд., М., 1973; Дубинин Г. Н., О механизме формирования диффузионного слоя, в сборнике: Защитные покрытия на металлах, в. 10, К., 1976.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Полезное

Смотреть что такое "Химико-термическая обработка" в других словарях:

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — металлов тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев металла. Основные виды: цементация, цианирование, азотирование, процессы диффузной… … Большой Энциклопедический словарь

химико - термическая обработка — ▲ обработка ↑ посредством, воздействие, высокая температура обжиг выдержка при высокой температуре. структуры железных сплавов: феррит. аустенит. мартенсит. цементит. троостит. перлит. сорбит. термообработка: отжиг. закалка. калить. закаливать.… … Идеографический словарь русского языка

химико-термическая обработка — ХТО Процесс диффузионного поверхностного насыщения металла или сплава одним или несколькими элементами (напр., С, N, Al, Сr и др.) при повышенных температуpax; обеспечивающий изменение состава, структуры и св в поверхностного слоя. ХТО состоит из … Справочник технического переводчика

химико-термическая обработка — металлов, тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностных слоёв металла. Основные виды: цементация, цианирование, азотирование, процессы диффузной… … Энциклопедический словарь

Химико-термическая обработка — Thermochemical treatment Химико термическая обработка. Термообработка сталей с целью изменения химического состава и свойств поверхности детали путем обмена со средой. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО… … Словарь металлургических терминов

химико-термическая обработка — Смотри химико термическая обработка (ХТО) … Энциклопедический словарь по металлургии

Химико-термическая обработка металлов — Химико термическая обработка (ХТО) нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико… … Википедия

химико-термическая обработка (ХТО) — [thermochemical treatment] процесс диффузионного поверхностного насыщения металла или сплава одним или несколькими элементами (например, С, N, Al, Cr и др.) при повышенных температурах; обеспечивает изменение состава, структуры и свойств… … Энциклопедический словарь по металлургии

Химико-термическая обработка — тепловая обработка металлов в химически активной среде для изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металлического изделия. Широко применяют химико термическую обработку стали: цементацию, азотирование, алитирование … Энциклопедический словарь по металлургии

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — [thermochemical treatment] (ХТО) процесс диффузионного поверхностного насыщения металла или сплава одним или несколькими элементами (например, С, N, Al, Cr и др.) при повышенных температурах. Обеспечивает изменение состава, структуры и свойств… … Металлургический словарь

Методы упрочнения сталей. Ионное азотирование и карбонитрование.

Общие сведения. Что такое химико-термическая обработка металлов?

Изменение поверхностного слоя изделия путем преобразования химического и фазового состава называют химико-термической обработкой (ХТО). Химико-термическую обработку используют для улучшения механических, трибологических и коррозионных свойств сталей и сплавов, повышая поверхностную твёрдость и, как следствие, износостойкость изделия.

При использовании углерода в качестве насыщающего элемента процесс называется цементация, при применении азота в этом качестве — азотирование. Если применяются оба вышеуказанных элемента — нитроцементация, карбонитрация или карбонитрирование (широко употребляются все термины). Проникая в поверхностный слой изделия, атомы насыщающего элемента образуют твёрдые растворы внедрения, а также химические соединения с металлами, составляющими основу стали или сплава.

Азотирование сталей и сплавов - это один из видов химико-термической обработки металла. В качестве насыщающего элемента выступает азот. В процессе обработки атомы азота проникают в кристаллическую решетку металла, искажая её и создавая внутренние напряжения сжатия, часть атомов создаёт химические соединения – нитриды, которые образуют кристаллические структуры в виде игл и глобулярных образований в поверхностном слое, таким образом, уплотняя его, при этом твёрдость нитридов металла значительно больше, чем твердость самого металла. В итоге финишное диффузионное покрытие обладает как повышенным внутренним напряжением сжатия в поверхностном слое, так и включением нитридных образований легирующих элементов, именно такая композитная структура и определяет физико-механические характеристики всего изделия в целом.

Карбонитрирование стали - это химико-термический процесс насыщения поверхности стали азотом и углеродом. Во время этого процесса атомы углерода и азота диффундируют в структуру металла, создавая твердые растворы внедрения и/или замещения, таким образом, повышая твёрдость поверхностной зоны материала. Главное преимущество процесса карбонитрирования заключается в возможности применения недорогих, легко обрабатываемых низкоуглеродистых сталей для придания их поверхностям свойств, характерных для более дорогих и сложных в обработке марок сталей.

Весь процесс химико-термической обработки можно условно разделить на 3 этапа:

диссоциацию (преобразование насыщающих элементов в химически активную, в т.ч. атомарную форму, под воздействием температуры и/или электромагнитного поля);
адсорбцию и диффузию в структуру металла;
образование устойчивых атомарных связей с элементами кристаллической решётки в виде твёрдых растворов и химических соединений.

Ионная химико-термическая обработка металлов

Ионная химико-термическая обработка (ИХТО)– комплекс наиболее прогрессивных, ресурсосберегающих и безотходных процессов – ионное азотирование и карбонитрирование, которые обеспечивают преимущественные качества и служебные свойства на любых сталях, сплавах и металлокерамике и предназначены для различных изделий и инструмента во всех отраслях промышленности.

Процесс диффузионного насыщения осуществляется в азотсодержащей газовой среде при рабочем давлении в камере установки 0,4-10 мбар под воздействием импульсной плазмы (частота 10 кГц, напряжение 400-800 В), возникающей между катодом (деталями) и анодом (стенками вакуумной камеры). В результате физико-химических реакций, протекающих на поверхности деталей, охваченных слоем ионизированного газа, активно образуются различные модификации диффузионных покрытий, состоящие из нитридов и карбонитридов железа, хрома, ванадия, титана и других элементов. Такие покрытия в зависимости от исходной прочности металла обладают высокими качеством и служебными свойствами, в частности:

Упрочнённые изделия обладают высокой твёрдостью, усталостной и контактной прочностью, наилучшим комплексом износо-задиростойких и антикоррозионных свойств:

коэффициент трения со смазкой - 0,03-0,05;
коэффициент трения в сухих условиях - 0,1-0,3;
коррозионно-эрозионная стойкость соответствует высоколегированной стали 12Х18Н10Т (AISI 321, 1.4541);
контактно-усталостная прочность и долговечность выше в 1,5-2 раза.

В целом вышеуказанные свойства превосходят показатели хромированных и других химико-термических покрытий в 2-4 раза.

Преимущества и отличия

Основные преимущества и отличия новых технологий в сравнении с существующими процессами ХТО и гальваники (цементация, цианирование, печное и каталитическое азотирование, хромирование и др.):

экологическая чистота, безвредность и безотходность процессов;
ресурсосбережение за счет резкого сокращения электроэнергии в 2-5 раз (среднее потребление 0,05. 0,1 кВт-час на 1 кг изделия) и рабочих газов в 100-200 раз (1 баллон аммиака на 3 месяца работы установки);
повышение производительности, снижение трудоёмкости и себестоимости обработки в 2-4 раза;
повышение качества покрытий за счет равномерного, регулируемого и бездефектного формирования упрочненных слоёв;
минимальное изменение размеров и сохранение чистовых параметров в допусках конструкторской документации, что исключает дополнительную механическую обработку упрочнённых изделий;
применение простых и дешёвых способов предохранения деталей при местном упрочнении, которые заменяют вредные и дорогостоящие гальванические, а также другие изолирующие химические покрытия;
создание специализированных типов защитных покрытий, имеющих специально ориентированное и регулируемое строение, обладающих уникальным комплексом свойств по износостойкости и сопротивляемости трещинообразованию;
разработка экспресс-анализа для диагностики качества покрытий в течение 2-5 минут;
наличие 50-летнего опыта научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), а также опыта производственного внедрения приоритетных конструкторских решений и ноу-хау.

Развивая на своем производстве технологии поверхностной ионно-плазменной обработки, Вы экономите материальные ресурсы, улучшаете экологическую обстановку на своем предприятии, способствуете многократному увеличению производительности и поднимаете качество продукции на недосягаемый ранее уровень. Современная техника, компьютерное управление режимами ХТО и возможность оперативного регулирования параметров процесса азотирования – всё это способствует модернизации и повышению технического уровня термических производств.

Мы готовы решить ваши проблемы и выполнить весь комплекс работ по внедрению новой технологии на серийные и перспективные изделия, разработке руководящей и нормативно-технической документации, обучению персонала и сервисному обслуживанию. Для создания прогрессивного проекта Вы делаете заказ, а всё остальное – консалтинг, инжиниринг, поставку и настройку оборудования «под ключ», внедрение комплекса передовых технологий и сервисные услуги выполняем мы.

Наша компетенция и передовой опыт гарантируют достижение наилучшего результата в реализации проекта с оптимально выгодным соотношением цены, качества и времени.

Сферы применения

Сферы применения технологий ионной химико-термической обработки весьма обширны, это без исключения все отрасли промышленности, далее мы приводим основные направления с указанием предприятий, где работают наши технологии и оборудование (также см. фотографии упрочненных изделий):

Топливно-энергетическая, нефтехимическая промышленность - роторы, плунжеры и цилиндры скважинных штанговых насосов (СШН), штоки, штанги, оси, валы, червячные пары, шестерни, резьбовые замки, муфты, переходники, корпусные детали, втулки, гидроцилиндры, различные детали турбин и компрессоров, запорная арматура и прочее. В результате обработки повышается износостойкость и коррозионная стойкость, возрастает эксплуатационная надёжность и долговечность изделий.

Например, в Перми освоено серийное производство штанговых насосов СШН в ПКНМ и Элкам-Нефтемаш. Бездеформационное упрочнение цилиндро-плунжерных пар обеспечивает повышение гарантийного ресурса в 2 раза и МРП в 5 раз. Безотказная эксплуатация насосов СШН в ОАО «ЛУКОЙЛ-Пермь» продолжается уже более 10 лет. Аналогичное производство насосов СШН в Казахстане (20 тыс. шт. в год) создано на предприятии Мунаймаш.

Разработаны технологии упрочнения изделий бурового и глубинно-насосного оборудования (ГНО), узлов и механизмов мобильных буровых установок, роторов забойных двигателей, гидроцилиндров, штоков, муфт, пакеров, замковых и быстроразъёмных соединений, переходников, переводников НКТ и БТ, различных резьбовых соединений высокой герметичности. Выполняется комплекс НИОКР для упрочнения центробежных насосов, винтовых насосных систем Серийное производство этих изделий обеспечивает нужды всех нефтегазодобывающих компаний России (НК ЛУКОЙЛ, Роснефть, ГАЗПРОМ). Завод Синергия (г. Пермь), Филиал Газэнергосервис - Завод РТО. Процион г. Пермь, Профтермо (г. Набережные Челны).

Тяжёлое машиностроение, горнодобывающая и судостроительная промышленность – различные кинематические зацепления, узлы и механизмы с массой отдельных деталей до 5 тонн: планетарные редукторы, шевронные, конические, прямозубые о косозубые передачи, вал-шестерни, эксцентрики, втулки, обоймы, колёса, сателлиты, барабаны. ПЗТМ(Казахстан), УралМаш, Дальэнергомаш, Калужский турбинный завод.

Автотракторное машиностроение, двигателестроение - различные виды зубчатых колёс, валы, оси, коленчатые валы и распредвалы, прецизионные цилиндры и плунжеры, гильзы, диски, винты, пиноли, направляющие, клапаны, пружины, шаровые пальцы, кольца синхронизатора, штоки, червяки, муфты, фрикционные диски, различные детали трения. ГАЗ, МАЗ, Псковский завод Механических Приводов (ПЗМП), Уралкран, ЗВЕЗДА.

Авиационное двигателестроение, точная механика - все детали двигателей и редукторов из легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей. Азотирование позволяет создать минимальные диффузионные слои с высочайшей твёрдостью, исключающей износ и радикально облегчающей конструкцию моторов, как следствие увеличивается тяговооружённость двигателей и эксплуатационная надёжность. Детали управляющих и навигационных приборов и систем, шестерни, трибки, секторы с модулем 0,2-0,4 мм. МоторСич, НПО Сатурн, Омское Моторостроительное КБ, МГТУ им. Баумана, Мичуринский завод «Прогресс», АНПП «ТЕМП-АВИА» г. Арзамас.

Гидравлика, порошковая металлургия – цилиндры, штоки, гильзы, винты домкрата, ролики, детали редукторов, тахометров, шестерни, шпильки, поршни, детали передаточных механизмов, валики, клинья, пальцы, кольца синхронизатора, рейки, полумуфты. После обработки повышаются качество и эксплуатационные свойства изделий (твёрдость, износо-задиростойкость, усталостная и контактная прочность, антикоррозионные свойства) и исключаются трудоёмкие шлифовочные операции в связи с бездеформационным упрочнением и сохранением исходной шероховатости деталей, снижается их металлоёмкость и себестоимость. Шахтинский завод Гидропривод, Омскгидропривод, Гидросила, Волчанский агрегатный завод, Димитровградский завод порошковых материалов.

Производство пластмасс и алюминиевых профилей - экструзионные шнеки, цилиндры экструдера, стержни, дорна, фильеры, пуансоны и другие детали. Даже после кратковременной обработки ионным азотированием повышается поверхностная твёрдость, многократно увеличивается ресурс изделий, снижается налипание пластмассы и алюминия, как следствие увеличивается производительность процессов. Сатурн (Набережные Челны), ИОЛЛА (Пермь).

Инструментальное и высокоточное производство для атомной промышленности: пресс-формы, матрицы, штампы, пуансоны для горячей и холодной обработки металлов, пластмасс, стекла и резины - повышается износостойкость, сопротивляемость к трещинообразованию, уменьшается налипание металла, увеличивается срок эксплуатации в 2-6 раз; режущий инструмент: свёрла, метчики, развертки, фрезы, прошивки, протяжки, долбяки, резцы - в результате применения кратковременных комбинированных процессов ХТО увеличивается твердость, улучшаются режущие свойства, повышаются износостойкость в 2-4 раза и производительность механической обработки. Чепецкий механический завод, Ижорские заводы, Завод Элекон (Казань), Ирбитский механический завод «Ница».

Военная продукция: Завод №9, АО "ЦКБ "Титан" (ПО Баррикады) (и ещё многие заводы, выпускающие смежную продукцию).

химико-термическая обработка металлов

совокупность технологических процессов, приводящих к изменению химического состава, структуры и свойств поверхности металла без изменения состава, структуры и свойств его внутренних зон. Осуществляется с помощью насыщения поверхности различными химическими элементами при повышенных температурах. Поверхности изделий из железа чаще всего насыщают углеродом (цементация), азотом (азотирование), азотом и углеродом (цианирование), металлами, кремнием (силицирование) и т. д.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн . 2006 .

Смотреть что такое "химико-термическая обработка металлов" в других словарях:

Химико-термическая обработка — металлов, совокупность технологических процессов, приводящих к изменению химического состава, структуры и свойств поверхности металла без изменения состава, структуры и свойств его сердцевидных зон. Осуществляется с помощью диффузионного… … Большая советская энциклопедия

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (металлов) — технолог. процесс, заключающийся в нагревании и охлаждении металл. изделий, полуфабрикатов или сплавов с целью изменения их структуры и свойств (хим., физических или механ.) для повышения качества готовых изделий. В зависимости от сложности… … Технический железнодорожный словарь

термическая обработка металлов — процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия для целенаправленного изменения их структуры и свойств. Термическая обработка металлов подразделяется на собственно термическую, заключающуюся только в тепловом… … Энциклопедия техники

ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА — (ХТО) металлов технологич. процесс, при к ром происходит изменение хим. состава, структуры и св в поверхности металла вследствие диффузии в неё разл. хим. элементов из газовой, паровой, жидкой или твёрдой фаз. Широко применяется ХТО стали:… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют, насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Содержание

Классификация процессов химико-термической обработки

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:

однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием;
многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)

В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.

Массоперенос при химико-термической обработке

При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий:

реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента); в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава;
процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев - удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду;
диффузия в насыщаемом сплаве;
реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т.д.).

Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО.

Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения.

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, то есть содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

Применение

ХТО применяют с целью:

сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах;
придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.);
придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета);
облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).

Химико-термическая обработка стали

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

Общие принципы

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.

Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.

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.

Классификация

Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.

В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.

Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.

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.

Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.

Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.

По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.

Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.

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.

Науглероживание (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.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

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.

Читайте также: