Химико термическая обработка виды

Химико-термическая обработка (ХТО) – это способ изменения свойств металла за счет диффузии элементов в поверхностный слой. Метод сочетает термическое воздействие и химическое насыщение, что позволяет повысить твердость, износостойкость и коррозионную устойчивость деталей.

Наиболее распространенные виды ХТО – цементация, азотирование, цианирование и борирование. Каждый из них применяется для разных сплавов и условий эксплуатации. Например, цементация подходит для низкоуглеродистых сталей, а азотирование – для легированных.

Выбор метода зависит от требуемой глубины насыщенного слоя и конечных характеристик материала. Для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок, рекомендуют азотирование, а для повышения износостойкости – борирование.

Эффективность ХТО определяется режимами обработки: температурой, временем выдержки и составом насыщающей среды. Оптимальные параметры подбирают экспериментально или с помощью компьютерного моделирования.

Виды химико-термической обработки металлов и сплавов

Химико-термическая обработка (ХТО) изменяет состав и свойства поверхностного слоя металла за счет диффузии элементов. Основные методы:

• Цементация – насыщение поверхности углеродом при 900–950°C. Применяется для низкоуглеродистых сталей (0,1–0,25% C). Глубина слоя: 0,5–2 мм.
• Азотирование – обработка в среде аммиака при 500–600°C. Увеличивает твердость до 1000–1200 HV. Подходит для легированных сталей (38ХМЮА, 40Х).
• Цианирование – одновременное насыщение углеродом и азотом в расплавах цианистых солей (700–900°C). Слой: 0,15–0,6 мм.
• Борирование – создание боридов железа (FeB, Fe₂B) при 900–1000°C. Твердость достигает 1800–2000 HV.
• Силицирование – диффузия кремния (950–1100°C). Повышает коррозионную стойкость.

Для выбора метода учитывайте:

1. Требуемую твердость поверхности.
2. Условия эксплуатации детали (температура, трение).
3. Химический состав сплава.

Пример: азотирование используют для шестерен, работающих при высоких нагрузках, а цементацию – для валов с износостойкой поверхностью.

Цементация: повышение поверхностной твёрдости стальных деталей

Цементация увеличивает износостойкость деталей за счёт насыщения поверхности углеродом. Процесс проводят при температурах 850–950°C в среде карбюризаторов: твёрдых, жидких или газообразных.

Оптимальная толщина цементованного слоя для зубчатых колёс – 0,8–1,2 мм. После насыщения углеродом детали закаливают в воде или масле при 760–800°C для получения мартенситной структуры.

Контролируйте содержание углерода в цементирующей среде: переизбыток приводит к хрупкости, недостаток – к низкой твёрдости. Для проверки используйте микротвердомеры (HV) или метод Роквелла (шкала C).

Азотирование: создание износостойкого слоя на сталях и сплавах

Технология включает три основных метода:

Газовое азотирование – наиболее распространенный способ. Детали нагревают до 500–600°C в среде аммиака (NH₃), который диссоциирует на азот и водород. Азот диффундирует в металл, образуя нитриды. Толщина слоя: 0,2–0,8 мм.

Ионное азотирование (плазменное) – ускоряет процесс за счет ионизации азотсодержащего газа в разряде. Температура ниже (400–550°C), а скорость насыщения выше. Подходит для сложных форм и легированных сталей.

Жидкостное азотирование проводят в расплавах цианистых солей при 550–580°C. Метод обеспечивает равномерный слой, но требует строгого контроля экологической безопасности.

Для азотирования выбирают стали с алюминием, хромом, молибденом (38ХМЮА, 40Х). Эти элементы образуют твердые нитриды, повышающие износостойкость. Твердость поверхности достигает 1000–1200 HV.

После обработки не требуется закалка – азотированный слой сохраняет свойства при нагреве до 500°C. Детали работают в условиях трения, ударных нагрузок и агрессивных сред.

Цианирование: комбинированное насыщение поверхности углеродом и азотом

Цианирование проводят в расплавах солей, содержащих цианиды (NaCN, KCN) или менее токсичные цианистые соединения (железистосинеродистый калий K₄[Fe(CN)₆]). Оптимальная температура процесса – 820–950°C для высокотемпературного цианирования и 530–580°C для низкотемпературного.

Продолжительность обработки зависит от требуемой глубины диффузионного слоя. Например, для деталей машин при толщине слоя 0,2–0,5 мм время выдержки составляет 1,5–6 часов. Скорость насыщения углеродом и азотом регулируют составом ванны и температурой.

Основные преимущества цианирования:

• повышение износостойкости в 2–3 раза по сравнению с цементацией
• увеличение предела контактной выносливости на 20–30%
• снижение коэффициента трения на 15–20%

После цианирования обязательна закалка в масле или воде с последующим низкотемпературным отпуском при 160–200°C для снятия внутренних напряжений. Твердость поверхности достигает 58–63 HRC.

Для защиты окружающей среды современные технологии используют замкнутые циклы с нейтрализацией цианистых соединений. Альтернатива – газовое цианирование в атмосфере аммиака и углеводородов.

Борирование: формирование сверхтвёрдых поверхностных слоёв

Борирование повышает твёрдость поверхности стали до 2000 HV, что делает её устойчивой к абразивному износу. Для обработки используют газовые, жидкие и твёрдые среды с температурой 850–950°C.

Методы борирования

Газовое борирование проводят в среде BCl₃ или B₂H₆ при 900°C. Слой глубиной 50–200 мкм образуется за 2–6 часов. Подходит для ответственных деталей, таких как штампы и режущий инструмент.

Электролизное борирование в расплаве солей (Na₂B₄O₇ + NaCl) создаёт слои до 150 мкм за 1–3 часа. Температура не превышает 950°C, что снижает риск деформации заготовки.

Оптимальные материалы

Лучшие результаты достигаются на сталях с содержанием углерода от 0,3% (40Х, У8) и легированных хромом (Х12М). Алюминиевые сплавы и титан борируют реже из-за образования хрупких фаз.

После обработки охлаждайте детали на воздухе – закалка не требуется. Для снижения хрупкости проведите низкотемпературный отпуск при 200–250°C.

Силицирование: защита металлов от коррозии и износа

Суть метода

Технология процесса

Процесс проводят в газовой среде при температуре 900-1100°C в течение 2-6 часов. В результате на поверхности образуется диффузионный слой толщиной 0,1-1,5 мм с высоким содержанием кремния.

Основные преимущества силицирования:

• Повышение коррозионной стойкости в кислых средах в 3-5 раз
• Увеличение жаростойкости до 850°C
• Снижение коэффициента трения на 15-20%

Для усиления эффекта силицирование часто комбинируют с последующим хромированием или алитированием.

Диффузионная металлизация: нанесение защитных покрытий из тугоплавких металлов

Для защиты деталей от коррозии и износа применяйте диффузионную металлизацию – метод насыщения поверхности тугоплавкими металлами, такими как хром, алюминий или титан. Процесс проводят при температурах 800–1200°C в среде, содержащей пары или порошок металла-покрытия.

Хромирование увеличивает твердость поверхности до 1200 HV и устойчивость к окислению при 700°C. Для алюминирования используйте порошковую смесь Al₂O₃ и хлорида аммония – это создает слой Al толщиной до 200 мкм, защищающий от газовой коррозии до 900°C.

Титанирование подходит для жаропрочных сплавов. Нагрев в титановой стружке с добавкой йодида титана при 950°C формирует диффузионный слой с адгезией выше, чем у напыленных покрытий.

Контролируйте три параметра: температуру (точность ±10°C), время выдержки (от 2 до 12 часов) и состав газовой фазы. Например, для борирования стали оптимальна смесь B₄C с 5% KBF₄ при 900°C в течение 5 часов.

После обработки медленно охлаждайте детали в печи – резкий перепад температур вызывает растрескивание покрытий. Для ответственных узлов (лопатки турбин, клапаны ДВС) комбинируйте металлизацию с последующей шлифовкой.