ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ

Химико-термическая обработка (ХТО), являющаяся одним из наиболее широко применяемых способов поверхностного легирования, основана на диффузии легирующих элементов в поверхностный слой изделий из внешней (насыщающей) среды при повышенных и высоких температурах.

Целью ХТО является обеспечение требуемых свойств поверхностного слоя (твердость, износостойкость, антифрикционность, сопротивление эрозии и коррозии, усталостная прочность, жаростойкость и др.).

Цементациейназывают насыщение поверхностного слоя углеродом. Обычно цементации подвергают детали из сталей, содержащих не более 0,3 % углерода. В авиастроении цементируют детали из сталей 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 12Х2НВФА, 20ХЗМВФ-Ш и др. При такой концентрации углерода после закалки и низкого отпуска сердцевина сохраняет высокую пластичность и вязкость, что позволяет избежать хрупкого разрушения. Как правило, цементацией обрабатывают только рабочие поверхности деталей.

Нерабочие поверхности защищают от насыщения углеродом:

- использованием специальных обмазок,

- нанесением слоя меди гальваническим способом,

- предусматрением припуска на нерабочих поверхностях, который удаляют после цементации механической обработкой.

Насыщающую среду при цементации называют карбюризатором.

Цементация может производиться из твердой фазы в газовой среде или с использованием специальных обмазок.

Основной составляющей всех твердых карбюризаторов является уголь различного происхождения: древесный, каменный, костный. Наиболее часто используют древесный уголь. Для повышения активности карбюризатора в него вводят ускорители цементации, например ВаСО3 или Na2CO3.

Детали укладывают в ящик с карбюризатором, равномерно их размещают, закрывают крышкой и обмазывают последнюю смесью огнеупорной глины с песком. После естественной сушки ящики помещаются в печь.

Температура и продолжительность процесса цементации назначаются в зависимости от марки стали и требуемой толщины цементированного слоя.

Цементация конструкционных сталей производится при температуре 900 ... 950 °С, а высоколегированных - 900 ... 1050 °С.

Продолжительность процесса при глубине цементации 1,5 мм составляет 10... 15 ч.

Для проведения цементации нужна невысокая (2 ... 5 %) концентрация углеводорода в газовой среде.

Скорость цементации, выполняемой этими методами, в зависимости от температуры, требуемой глубины цементации и марки стали составляет 0,1 ... 0,8 мм/ч.

При температуре 940 ... 950 °С глубина цементированного слоя 1,1 ... 1,4 мм достигаете за 7,5 ч.

При больших температурах проявляется тенденция выделений карбидов по границам зерен, что является недопустимым дефектом.

Упрочненный слой получается достаточно равномерным за счет вращения реторт, перемешивания газовой среды вентиляторами или использования инжекционных систем. Газовая цементация обеспечивает заданную глубину цементированного слоя равномерно по всем поверхностям с допуском 0,2 мм.

Для придания поверхностному слою необходимой твердости детали после цементации производится закалка.

За эффективную толщину цементированного слоя обычно принимают зону с содержанием углерода более 0,4 %, что соответствует твердости HRC 50 или HV 5000 ... 6000 МПа в зависимости от марки стали. Для зубчатых колес эффективная толщина цементированного слоя выбирается исходя из значения модуля зубчатого зацепления:

Модуль зубчатых колес, мм 1,5 3,0 4,0 5,0 7,0 10,0

Эффективная толщина слоя, мм 0,4 0,8 0,95 1,1 1,4 1,8

Азотированиепредставляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом. Оно используется для обеспечения твердости и износостойкости деталей. Одновременно повышается усталостная прочность и сопротивление электрохимической коррозии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементированного; она сохраняется при нагреве до температур 450 ... 550 °С (пока нитриды не теряют твердость), тогда как твердость цементированного слоя до 200 ... 225 °С (далее происходит отпуск).

В отличие от цементации, когда необходимая твердость поверхностного слоя достигается закалкой, выполняемой после процесса насыщения углеродом, при азотировании требуемых свойств поверхностного слоя добиваются непосредственно в процессе насыщения.

Азотирование выполняют в газовых средах (аммиаке, смесях аммиака и азота, аммиака и водорода, аммиака и кислорода и др.) при температурах 500 ... 550 °С. Процесс насыщения азотом при таких температурах протекает очень медленно.