Химико термическая обработка металлов и сплавов

Чтобы повысить износостойкость деталей, используйте цементацию – насыщение поверхности углеродом при температуре 900–950°C. Этот метод увеличивает твердость на 2–3 единицы по шкале HRC, сохраняя вязкость сердцевины. Глубина слоя зависит от времени выдержки: за 4–6 часов достигается 0,8–1,2 мм.

Для защиты от коррозии применяйте азотирование. Обработка в среде аммиака при 500–600°C создает слой нитридов толщиной 0,3–0,5 мм с твердостью до 1200 HV. Скорость процесса – 0,01 мм/час, поэтому для сложных профилей увеличивайте время до 60 часов.

Цианирование сочетает преимущества цементации и азотирования. Погружение деталей в расплав цианистых солей при 850°C формирует слой 0,15–0,25 мм за 30–90 минут. Метод подходит для инструментов с нагрузкой на изгиб, но требует строгого контроля токсичности.

Новые технологии, такие как ионно-плазменная обработка, сокращают время насыщения в 2–3 раза. Ускоренная диффузия в вакуумной среде с напряжением 300–500 В дает равномерный слой без окислов. Для титановых сплавов это единственный способ создать карбидный барьер без потери пластичности.

Химико-термическая обработка металлов и сплавов: методы и технологии

Цементация

Насыщение поверхности углеродом при температуре 900–950°C. Применяется для низкоуглеродистых сталей (0,1–0,25% C). Этапы:

• Нагрев в среде карбюризаторов (твердая, газовая или жидкая фаза).
• Выдержка 4–12 часов для получения слоя 0,5–2 мм.
• Закалка для повышения твердости.

Азотирование

Диффузия азота при 500–600°C. Подходит для легированных сталей (Cr, Mo, Al). Преимущества:

• Твердость поверхностного слоя до 1200 HV.
• Устойчивость к коррозии и износу.
• Минимальные деформации из-за низких температур.

Цианирование

Одновременное насыщение углеродом и азотом в расплавах цианистых солей (550–950°C). Используется для инструментальных сталей. Параметры:

• Глубина слоя: 0,1–0,5 мм.
• Время обработки: 30–180 минут.

Борирование

Образование боридов железа при 850–1000°C. Результаты:

• Твердость до 2000 HV.
• Повышенная стойкость к абразивному износу.

Выбор метода

Критерии подбора технологии:

• Состав сплава.
• Требуемая глубина слоя.
• Эксплуатационные условия детали.

Цементация: повышение износостойкости поверхностного слоя

Суть метода

Ключевые технологии

Газовая цементация – наиболее распространённый метод. Детали выдерживают в среде природного газа или пропана с добавлением эндогаза. Концентрацию углерода регулируют изменением соотношения газов, обычно поддерживая 0,8–1,2% C в поверхностном слое.

Твердотельная цементация применяется для мелких деталей. Используют смесь древесного угля (70%) и активаторов (30% BaCO₃ или Na₂CO₃). Глубина слоя – 0,5–2 мм за 4–10 часов обработки.

Оптимальные режимы для среднеуглеродистых сталей:

• Температура: 920–940°C
• Длительность: 1 час на каждые 0,1 мм требуемого слоя
• Охлаждение: закалка в масле после повторного нагрева до 800–820°C

После цементации обязательна термическая обработка – закалка и низкий отпуск при 160–200°C для снятия напряжений.

Азотирование: создание твердого защитного слоя без деформаций

Оптимальные параметры процесса

Для получения равномерного азотированного слоя без коробления поддерживайте температуру в диапазоне 500–580°C. Концентрация аммиака в атмосфере должна составлять 25–35%, а продолжительность выдержки – от 2 до 24 часов в зависимости от требуемой глубины слоя (0,1–0,6 мм).

Используйте двухступенчатый режим: сначала нагрев до 350°C для снижения термических напряжений, затем плавный подъем до рабочей температуры. Это минимизирует риск деформаций.

Выбор материала и подготовка

Лучшие результаты достигаются на легированных сталях (38Х2МЮА, 40Х, 30ХГСА). Перед обработкой обязательно выполните:

Механическую обработку: шлифовку или полировку поверхности для равномерного насыщения.

Обезжиривание: ультразвуковая очистка в ацетоне или щелочных растворах.

Для деталей сложной формы применяйте подвески из жаропрочных сплавов, исключающие контакт с печными элементами.

Контролируйте твердость поверхности сразу после обработки методом Виккерса (HV 800–1200). Проверку на пористость проводите с помощью 10%-ного раствора медного купороса – отсутствие осадка подтверждает качество слоя.

Цианирование: комбинированное насыщение углеродом и азотом

Цианирование проводят в расплавах солей, содержащих цианиды (NaCN, KCN) или цианистые соединения (Na₄[Fe(CN)₆]). Оптимальная температура процесса – 820–950°C, время выдержки – от 15 минут до 2 часов.

Основные этапы цианирования:

Для сталей с содержанием углерода до 0,3% рекомендуют цианирование при 850–900°C. Это обеспечивает глубину насыщенного слоя 0,2–0,5 мм. Для инструментальных сталей применяют низкотемпературное цианирование (550–600°C) с выдержкой 1–3 часа.

Контроль процесса включает:

• Измерение температуры с точностью ±5°C
• Анализ состава ванны каждые 4 часа
• Проверку глубины слоя на контрольных образцах

После обработки детали промывают в проточной воде и нейтрализуют остатки цианидов раствором перманганата калия или железного купороса.

Борирование: увеличение твердости и коррозионной стойкости

Применяйте борирование для сталей и сплавов, требующих высокой износостойкости и защиты от коррозии. Метод создает на поверхности слой боридов железа (FeB, Fe₂B) с твердостью до 2000 HV, что в 2–3 раза выше, чем после цементации.

Способы борирования

Электролизное борирование проводят в расплаве солей (например, бура Na₂B₄O₇) при 900–1000°C. Толщина слоя достигает 100–200 мкм за 2–6 часов. Подходит для инструментальных сталей (У8, Х12МФ).

Газовое борирование используют для сложных деталей. Обработка в среде BCl₃ или B₂H₆ при 700–900°C дает слой 50–150 мкм с меньшей хрупкостью.

Практические рекомендации

Для титановых сплавов применяйте пастовое борирование. Смесь бора с флюсом (NaF) наносят на поверхность и нагревают до 900°C. Полученный слой TiB₂ повышает твердость до 3000 HV.

После борирования проводите отпуск при 200–300°C для снижения внутренних напряжений. Избегайте перегрева – при температурах выше 1100°C возможно образование хрупких фаз.

Для защиты от коррозии комбинируйте борирование с последующим оксидированием. Такое покрытие выдерживает 500 часов в солевом тумане без повреждений.

Диффузионная металлизация: нанесение защитных покрытий

Для повышения износостойкости и коррозионной стойкости металлов применяйте диффузионную металлизацию. Этот метод основан на насыщении поверхностного слоя металла легирующими элементами при высокой температуре.

Наиболее распространенные варианты покрытий включают цинкование, алитирование и хромирование. Цинкование защищает сталь от коррозии, а алитирование повышает жаростойкость деталей, работающих при температурах до 900°C.

Процесс проводят в печах с контролируемой атмосферой. Температура обработки составляет 800–1100°C, время выдержки зависит от требуемой толщины слоя. Например, для цинкования при 900°C достаточно 2–4 часов, чтобы получить слой толщиной 0,1–0,3 мм.

Используйте порошковые смеси, пасты или газовые среды для насыщения поверхности. Порошковые составы содержат 40–60% легирующего элемента, 2–5% активатора (например, хлорид аммония) и инертный наполнитель.

Для защиты ответственных деталей, таких как лопатки турбин, выбирайте силицирование. Оно увеличивает твердость поверхности в 2–3 раза и улучшает сопротивление окислению.

Контролируйте качество покрытия с помощью микротвердомера и металлографического анализа. Толщина диффузионного слоя должна соответствовать ГОСТ 9.303-84.

Отжиг после химико-термической обработки: снятие внутренних напряжений

Проводите отжиг при температуре на 30–50 °C ниже критической точки Ac₁ для сохранения твердости поверхностного слоя. Выдерживайте детали в печи 1–2 часа на каждые 25 мм сечения.

Медленное охлаждение в печи со скоростью 50–100 °C/час предотвращает образование новых напряжений. Для углеродистых сталей используйте охлаждение до 500 °C, затем воздух. Легированные стали охлаждайте полностью в печи.

Контролируйте процесс термопарами, размещенными в зоне нагрева и на поверхности детали. Отклонение температуры более чем на ±15 °C приводит к неравномерному снятию напряжений.

После отжига проверяйте твердость поверхности методом Роквелла (шкала C) и сравнивайте с исходными значениями. Допустимое снижение – не более 5 HRC.

Для ответственных деталей применяйте рентгеноструктурный анализ остаточных напряжений. Допустимый уровень после отжига – не более 30% от предела текучести материала.