Химико-термическая обработка стали (ХТОС) – это процесс изменения свойств поверхности исходного стального материала, заключающийся в комбинированном воздействии на него термического и химического факторов с целью необходимых изменений свойств, состава и структуры приповерхностного слоя стали.

Подобная обработка применяется главным образом для направленной модификации химического состава и физических характеристик поверхностей – повышения износоустойчивости, твердости и коррозионной стойкости изделий из стали. Сущностью ХТОС является совокупность технологических операций по термообработке с насыщением поверхности материала различными необходимыми химическими элементами на фоне воздействия высоких температур. В качестве таких элементов возможно использование углерода, азота, алюминия, кремния, хрома и других химических элементов. ХТОС в настоящее время является одним из наиболее применяемых видов немеханической обработки металла с целью достижения необходимых эксплуатационных свойств.

Наибольшее практическое распространение пролучили способы технологического насыщения приповерхностного участка стали такими элементами, как углерод и азот. Насыщение может происходить этими элементами как по отдельности, так и в виде их сочетания. Соответственно этому различают процессы, получившие название цементации, азотирования, нитроцементации, цианирования. Значительно реже применяют ХТОС такими элементами, как хром (процесс хромирования), бор (борирование), кремний (силицирование) и алюминий (алитирование).

Приповерхностное насыщение стальных изделий атомами металлов является более энергоемким и длительным, чем аналогичное насыщение стали атомами азота и углерода. Дело в том, что во втором случае диффузия атомов неметаллов протекает легче в решетке атомов железа. В общем и целом с помощью ХТОС достигается повышение износостойкости и твердости стали, ее кавитационной и коррозионной стойкости. При этом на поверхности стальных изделий возникает эффект благоприятных остаточных напряжений сжатия, что приводит к увеличению надежности и долговечности.

Проведение процесса ХТОС осуществляется в несколько этапов, в которые включены следующие стадии:

формирование активных атомов в среде насыщения вблизи приповерхностного слоя или непосредственно на самой поверхности стали;

операция адсорбции (сорбции) сформированных насыщающих активных атомов средой поверхности насыщения (возможна как физическая, так и химическая);

осуществление диффузии — перемещения адсорбированных атомов в кристаллическую решетку материала обрабатываемой поверхности (она задает такой важнейший параметр ХТОС, как толщина упрочненного слоя).

Под цементацией понимают ХТОС путем поверхностного насыщения малоуглеродистой (уровень углерода до 0,2%) или легированной стали при температуре порядка 900...950°С - твердым (обработка с помощью твердого карбюризатора), а при 850...900°С - газообразным (цементация газовым агентом) углеродом с проведением последующей закалки и отпуска. Целью цементации и выполнения последующей термообработки является обеспечение повышения твердости и износостойкости материала, а также повышение диапазона контактной выносливости приповерхностного слоя изделия при сохранении вязкости в сердцевине, что повышает выносливость изделия в целом в процессе изгиба и кручения.

Изделия, подвергаемые цементации, предварительно очищают. При этом поверхности, не подлежащие цементации, покрываются специальными защитными противоуглеродными покрытиями.

Вещества, которые включают в состав цементационной обмазки, называются карбюризаторами. На практике применяют твердые, жидкие и газообразные карбюризаторы.

В состав твердого карбюризатора включают сажу - 55%, кальцинированную соду - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, а также воду для образования сметаноподобной массы. Паста наносится на обрабатываемые участки изделия, после чего необходимо обеспечить ее высыхание. Затем подготовленное к цементации изделие помещается в печь, где выдерживается в интервале 2…2,5 часов при 900…920°С. Такая цементация создает толщину обработанного слоя около 0,7…0,8 мм.

Жидкостной вид цементации проводится в печи-ванной, где и осуществляется науглероживание обрабатываемых изделий. В состав жидкого карбюризатора включают соду – 75…85%, 10…15% хлористый натрий, 6...10% карбид кремния. Процесс проводится за 1,5…2 часа при 850...860°С; при этом толщина обработанного слоя не превышает 0,3...0,4 мм.

Газовая цементация производится в смеси газов (метан, окись углерода) в камерах при 900...950°С.

Азотирование стали – это ее поверхностное насыщение атомами азота путем воздействия атмосферы аммиака NН3 при 600...650°С. Азотированная сталь имеет очень высокую твердость, повышенную сопротивляемость коррозии даже при воздействии температур (500...520°С). Изделия, прошедшие азотированные, не подвержены короблению при охлаждении. Азотирование широко применяют при обработке ответственных деталей, таких, как зубчатые колеса, гильзы цилиндров, валы.

Нитроцементация стали – это поверхностное насыщение изделий атомами азота и углерода при высоких температурах с проведением последующих закалки и отпуска. Нитроцементация повышает износо- и коррозионную устойчивость, а также усталостную прочность. Газовая нитроцементация проводится при 840...860°С - нитроцианирование, жидкостная – в расплаве солей, включающих группу NaCN, при 820...950°С – (жидкостной вид цианирования).

Нитроцементация эффективна для деталей сложной конфигурации из инструментальных сталей. Из-за токсичности применяется редко.

Борирование стали – это насыщение приповерхностного слоя стального изделия бором при 900...950°С, что повышает уровень износостойкости, твердости и других характеристик стальных изделий. Толщина слоя 0,05...0,15 мм. Процесс борирования очень эффективно использовать при изготовлении бурового и штампового инструментов.

См. также: