-Химико-термической обработкой называют процесс, представляющий собой сочетание термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, а, следовательно, и всей детали в целом.
При химико-термической обработке протекают следующие процессы: распад молекул во внешней среде и образование атомов диффундирующего элемента (диссоциация); поглощение атомов поверхностью стали (адсорбция); проникновение атомов в глубь стали (диффузия).
-Диффузионное насыщение поверхности деталей проводят различными элементами: углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др. Если используют углерод, то такой процесс называют цементацией, если азот — азотированием, хром — хромированием, кремний - силицированием и т. д.
-Цементация стали
Цементация — процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде.
Цель цементации —получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине, что достигается обогащением поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8—1 % и последующей термической обработкой. Цементации подвергают детали, изготовленные из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25 %).
В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемые детали, различают цементацию в твердой, жидкой и газовой средах. Наиболее широкое применение имеет цементация в газовых средах (газовая цементация).
При газовой цементации детали нагревают до 900—950 °С в специальных герметически закрытых печах, в которые непрерывным потоком подают цементующий углеродсодержащий газ [естественный (природный) или искусственный газ]. Атомарный углерод, необходимый для цементации, образуется при разложении углеводородов и окиси углерода, содержащихся в цементующих газах. Основным углеводородом является метан СН4.
Заданную концентрацию углерода (0,8—1 %) в поверхностном слое получают путем автоматического регулирования состава газа и применения газа-разбавителя, например эндотермического газа (эндо-газа), состоящего из окиси углерода (20 %), водорода (40 %) и азота (40 %). Для повышения активности газовой среды к эндогазу добавляют природный газ.
В цементованной детали содержание углерода уменьшается от поверхности к центру.
Цементованные детали подвергают термической обработке, наиболее часто закалке с 820—850 °С и низкому отпуску. Для деталей, изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей, широко применяют непосредственную закалку из печи с предварительным охлаждением до 840—860 °С.
Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, крупногабаритные кольца, ролики подшипников и др.
-Азотирование, цианирование и нитроцементация стали
Азотирование—процесс химико-термической обработки, представляющий собой диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Цель азотирования — получение поверхности деталей высокой твердости и износостойкости или устойчивости против коррозии (антикоррозионное азотирование).
Для азотирования детали нагревают (при 500—700 °С) в специальной герметически закрытой печи, через которую пропускают аммиак NH3. При нагреве аммиак разлагается с образованием атомарного азота, который поглощается поверхностью стали и проникает в глубь детали. Для получения высокой твердости и износостойкости слоя применяют специальные стали, например сталь, содержащую хром, молибден, алюминий.
При азотировании такой стали при 500—550 °С азот образует химические соединения, называемые нитридами (нитриды железа Fe2N, хромаCrN, алюминия A1N и др.), придающие слою очень высокую твердость. Недостаток азотирования —длительность процесса (до 90 ч). Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, зубчатые колеса, штампы, пуансоны и др. Антикоррозионному азотированию подвергают в основном углеродистые стали при 600—700 °С с выдержкой 0,5—1 ч.
Поверхностное насыщение стали одновременно углеродом и азотом в расплавленной цианистой соли называют цианированием, а в газовой среде—нитроцементацией. Цель этих процессов —получение высокой твердости и износостойкости поверхности деталей с сохранением пластичной сердцевины. Цианированию и нитроцементации подвергают детали из сталей с 0,2—0,4 % С.
При цианировании детали нагревают при 820—960 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN. Для получения слоя толщиной до 0,3 мм цианирование ведут при 820—860 °С в цианистых солях, содержащих NaCN, NaCl, Na2C03. При нагреве образующиеся в ванне атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Слой содержит ~ 0,7 % С и ~ 1 % N. Затем детали закаливают непосредственно из ванны и подвергают низкому отпуску.
Для получения слоя толщиной до 2 мм цианирование ведут при 930—960 °С в цианистой ванне, содержащей NaCN, NaCl, ВаС12. Слой содержит ~ 1 %С и ~ 0,3 % N. Затем детали охлаждают на воздухе, проводят закалку и низкий отпуск. Недостаток цианирования — ядовитость цианистых солей.
При нитроцементации детали нагревают при 850—870 °С в газовой смеси, обычно состоящей из эндогаза, к которому добавляют 5—15 % природного газа и 3—8 % аммиака. После насыщения поверхности деталей углеродом и азотом их подвергают закалке и низкому отпуску. Нитроцементацию применяют для обработки широкой номенклатуры деталей.
-Диффузионное насыщение металлами и металлоидами
Диффузионное насыщение металлами (алюминием, хромом и др.) и металлоидами (кремнием, бором и др.), называемое диффузионной металлизацией, проводят с целью повышения жаростойкости (до 1000 °С), коррозионной стойкости, твердости и износостойкости деталей.
Насыщение (при 1000—1200 °С) проводят в твердых, жидких и газовых средах.
При насыщении в твердой среде детали помещают в ящик со смесью ферросплава (например, ферроалюминия, феррохрома и др.) и хлористого аммония NH4C1. При нагреве, в связи с взаимодействием! ферросплава и хлористого водорода НС1, получающегося при разложении NH4CI,образуется летучее соединение (хлорид) хлора с металлом (металлоидом), например хлорид алюминия А1С13, хлорид хрома СгС12 и др., которое при контакте с деталью распадается с образованием атомов данного металла (металлоида), проникающих в сталь.
При насыщении в жидкой среде детали нагревают в ванне с расплавленным металлом (например, алюминием и др.).
При насыщении в газовой среде детали нагревают в среде летучих хлоридов различных металлов (металлоидов).