Химико-термическая обработка стали является одним из самых эффективных способов повышения прочности поверхностей деталей и инструментов, уменьшения интенсивности их износа и увеличения срока службы. Метод заключается в насыщении поверхностного слоя стали одним или несколькими химическими элементами. В основе технологии лежит процесс физической диффузии, при котором происходит проникновение в верхние слои деталей из стали и ее сплавов насыщающего элемента. Так как активность процесса зависит от температуры, диффузия происходит при нагреве металла.
Процесс поверхностного переноса на металл атомов других элементов описывают законы Фука и уравнения, позволяющие установить скорость и коэффициент диффузии:
dc/dt = Dd2c/dx2, который зависит от состава металла, размеров зерен и температуры процесса диффузии.
Принцип находит широкое практическое применение в химико-термической обработке сталей, диффузионной металлизации, в производстве деталей и инструментария по технологии порошковой металлургии, диффузионной сварке, а также работе контрольно-измерительной техники.
Методы и технологии
Для повышения прочностных характеристик поверхностей деталей используются различные виды химико-термической обработки стали. К самым популярным методам относятся:
Цементация
Процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом называют цементацией. Такой обработке подвергаются стальные детали, которые должны иметь жесткие, износостойкие поверхность и более вязкую внутреннюю часть (зубчатые колеса, элементы червячной передачи, валы, оси и пр.).
Обычно такие детали производят из низкоуглеродистой стали марок ст. 10, 20, 20Х, 20ХР, 18 ХГТ с содержанием карбона до 0.3%. При проведении диффузионной цементации верхний слой металла насыщается углеродом до 1.0% глубиной от 1.0 до 2.5 мм. При этом концентрация углерода уменьшается от поверхности до нижних слоев, а структура стали меняется – количество феррита увеличивается при удалении к центру детали. Температура цементации находится в пределах 950°С.
Насыщающим элементом при цементации может служить:
- газообразный карбюризатор, содержащий 92-95% CH4 (метан) и небольшой процент оксида углерода CO. При газоцементации происходит химическая реакция замещения 2СО ® С + СО2;
- твердый карбюризатор, которым служит древесный уголь с добавками углекислых солей бария и натрия, обеспечивает прохождение реакции: 2С + О2 =2CO. Образовавшиеся в результате химической реакции атомы карбона проникают в структуру стали на глубину от 0.5 до 2.0 мм. Диффузионные процессы проходят при температуре 910 -1050°С;
- жидкий насыщающий элемент производится в ванне, в растворе электролитов, проходит при нагреве изделий до температур 920 - 950° и позволяют за 30 минут провести обработку стали на глубину 0.1-0.2 мм.
Процессы химико-термической обработки стали также проводятся с использованием методов нитроцементации, когда поверхность детали в газообразной среде одновременно насыщается атомами углерода (0.7%) и азота (1.2%). Такой метод называют цианированием, процесс производится при низких (550°С) и высоких (950°С) температурах. В первом случае сталь насыщается преимущественно азотом, во втором – углеродом. Обработка производится с целью придать прочность изделиям, испытывающим небольшие удельные нагрузки.
Азотирование
Процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий атомами азота проводится после того, как они прошли термообработку и закалку. Азотированию подвергаются гильзы, штоки клапанов, шейки коленвалов, копиры, изготовленные из стали марок 45, 38ХМЮА, 38Х2МЮА. Целью процесса является повышение показателей жесткости, стойкости к износу и химической коррозии. После насыщения поверхности деталей азотом на глубину 0.3-0.6 мм показатель твердости металла достигает 1200 HV. Высокий показатель жесткости поверхности достигается значительным содержанием в ней нитридов.
Химико-термическая обработка поверхности стали происходит в тепловых камерах печах в аммиачной среде при температуре 500 - 520°С. В процессе диссоциации аммиака образуется атомарный азот, который адсорбируется стальной поверхностью, проникает в структуру металла и движется к центру детали. При этом атомы азота образуют нитриды железа, кальция, марганца, титана и пр. легирующих добавок, входящих в состав основных сплавов.
Скорость проникновения азота в железо невелика, поэтому выдержка при азотировании увеличивается до 24-80 часов. Если стальной поверхности необходимо придать исключительно коррозионную стойкость, температуру азотирования увеличивают до 650 - 700°С, а выдержка уменьшается составляет 0.5 – 8.0 часов.
Борирование
Химико-термическая обработка стали по методу борирования предполагает насыщение поверхности металла бором, которое позволяет увеличить такие характеристики, как:
- жесткость, устойчивость детали к износу при работе в абразивных средах;
- стойкость к коррозии, воздействии кислот и химически активных компонентов;
- жаро- и термостойкость.
Твердость борированной стали составляет 1800 – 2000 hv, а толщина слоя достигает 0.3 мм. В технологии используются электролизные и газовые методы борирования. Процессы в жидкой среде (расплавленной буре) проводят в тигле, где катодом является деталь, а анодом – графитовый стержень. При этом образуется атомарный бор, который адсорбируется стальной поверхностью и продвигается внутрь слоя. Газовое борирование производится при температуре до 900°С в смеси, состоящей из водорода и диборана (В2Н6).
Диффузионная металлизация
Основами химико-термической обработки стали по методу диффузионной металлизации являются процессы насыщения поверхностного слоя изделия сразу несколькими элементами – Cr, Al, Si, Zn. Это достигается методами:
- погружение изделия в ванну с расплавленным металлом;
- насыщение расплавленными солями, в состав которых входят элементы;
- насыщение путем испарения диффундирующих элементов в результате теплового воздействия;
- газовая диффузия.
Изделия, поверхность которых насыщена несколькими элементами, приобретают сразу несколько важных свойств - жаростойкость, коррозионную устойчивость, повышенную износостойкость и твердость.
