3.4. Химико-термическая обработка металлов

Химико-термической обработкой (ХТО) называ­ется процесс насыщения поверхностного слоя металла различ­ными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Такой процесс называют также поверхностным легированием.

При внедрении легирующих элементов в поверхностный слой металла его свойства изменяет. Таким способом можно улучшить различные свойства металлов. Целью химико-термической обработки являются повышение твердости, износостойкости, увеличение усталостной выносливости, придание коррозионной стойкости против воздействия агрессивных сред.

Внедряемые элементы могут быть как металлами, так и неметаллами. Например:

неметаллические – углерод С, азот N, кремний Si, бор B и др.

металлические – хром Cr ,алюминий Al, цинк Zn и др.

Р

Рис.45. Поверхностное легирование.

ассмотрим процесс диффузионного насыщения поверхности металла легирующим элементом (рис.45.). На поверхности металла создается избыточная концентрация элемента, который необходимо внедрить в металл, причем элемент должен находится в активном атомарном состоянии. Затем проис­ходит адсорбция или связывание атомов поверхностью металла. После чего эти атомы элемента внедряются вглубь металла.

Таким образом, весь процесс ХТО состоит их трех этапов:

1. Создание среды активных атомов

2. Адсорбция атомов поверхностью металла

3. Диффузия атомов вглубь металла

Активная среда может быть в различных агрегатных состояниях:

• Твердом

• Жидком

• Газообразном

Для того чтобы атомы активно перемещались вглубь металла, его нагревают, ускоряя процесс диффузии.

В результате обработки образуется диффузионный слой, т.е. слой материала у поверхности детали, отличающийся по химическому составу, структуре и свойствам от исходного. На рис.46. показан график изменения концентрации насыщающего элемента от глубины от поверхности металла.

Т

Рис.46. Зависимость концентрации легирующего элемента C от глубины x от поверхности металла.

олщина образующегося диффузионного слоя зависит от условий протекания процесса насыщения. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, тем больше толщина слоя.

Р

Рис.47. Зависимость толщины диффузионного слоя  от длительности процесса (а) и от температуры T (б).

ост толщины диффузионного слоя от длительности процесса при неизменных прочих условиях подчиняется квадратичной закономерности (рис.47а.):

, (3.12)

где τ – длительность процесса ХТО

А– константа

А зависимость от температуры, при постоянной длительности процесса и прочих условий, определяется экспоненциальной функцией (рис.47б.):

, (3.13)

где Q– энергия активации диффузии

T– абсолютная температура

k– постоянная Больцмана

B– константа характеризующая протекающий процесс

По названию внедряемого элемента процесс ХТО имеет разные названия:

при внедрении

Бора – борирование,

Хрома – хромирование,

Углерода – цементация, и т.д.

Рассмотрим основные процессы подробнее.

3.3.1. Цементация

Цементацией называется процесс насыщения по­верхностного слоя стальных изделий углеродом С.

П

Рис.48. Цементация в твердой среде.

ри этом у металла увеличивается твердость поверхности, но в тоже время сохраняется вязкость внутренних слоев металла. Такое благоприятное сочетание свойств увеличивается срок службы деталей, подвергающихся трению и ударным нагрузкам.

Цементация проходит при условиях

температура t = 900–950 ˚C

длительность τ = 6–12 ч

толщина образующегося диффузионного слоя ∆ = 0,8–1,7мм

Различают два способа цементации: в твердой и газовой среде.

1. В первом используется среда древесный уголь,это почти чистый углерод.Подготовленные для цементации детали укладыва­ют в металлический ящик и засыпают углём (рис.48.). Далее ящик закрывают и нагревают до необходимой температуры . В результате нагрева происходят реакции :

2C+O₂→CO

2CO↔CO₂ +C

Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. В итоге один активный атом углерода образует защитный слой.

2. Второй способ – газовая цементация. Активная среда – метан. При нагреве происходит диссоциация молекул,с выделением атомарного углерода:

CH₄ → 2H₂ + C

Газовая цементация позволяем механизировать и автоматизировать процесс, поэтому используется при массовом производстве.

В результате цементации механические свойства деталей значительно возрастают:

• твердость поверхности возрастает в 1,5-2 раза

• износостойкость на 30-50%