Химико-термическая обработка

Химико-термическая обработка — это технологический процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя деталей из металлов и сплавов путём их нагрева и выдержки в химически активной среде (твёрдой, жидкой или газообразной). В отличие от термической обработки, которая изменяет только структуру материала, химико-термическая обработка обеспечивает диффузионное насыщение поверхности определёнными элементами (углеродом, азотом, бором, хромом, алюминием и другими), что позволяет придать изделию повышенную твёрдость, износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость или другие специальные свойства при сохранении вязкой сердцевины.

История

Первые сведения о процессах, напоминающих химико-термическую обработку, относятся к эпохе бронзового века, когда кузнецы Древнего Египта и Месопотамии использовали науглероживание (цементацию) железа для получения твёрдого поверхностного слоя. Однако научное обоснование этих методов было дано лишь в XIX веке. В 1837 году русский инженер Павел Аносов провёл систематические исследования цементации стали, а в 1860-х годах французский металлург Флорис Осмонд разработал теорию диффузионного насыщения. В XX веке, с развитием авиационной, автомобильной и энергетической промышленности, химико-термическая обработка получила широкое промышленное распространение. В СССР в 1930—1950-х годах были созданы научные школы (например, под руководством А. А. Бочвара и С. Т. Кишкина), которые разработали процессы азотирования, цианирования и борирования.

Основные виды химико-термической обработки

Классификация химико-термической обработки основана на типе насыщающего элемента, который диффундирует в поверхность детали. Выделяют следующие основные виды:

Цементация (науглероживание)

Цементация — это насыщение поверхностного слоя стали углеродом. Процесс проводят при температуре 900—950 °C в среде, содержащей углерод (твёрдый карбюризатор, газ или жидкая соль). После цементации деталь подвергают закалке и низкому отпуску. Цементация применяется для деталей, работающих на износ и испытывающих ударные нагрузки: шестерён, валов, кулачков, поршневых пальцев. Глубина цементированного слоя обычно составляет 0,5—2,0 мм, твёрдость поверхности достигает 58—62 HRC.

Азотирование

Азотирование — это насыщение поверхности азотом. Процесс ведут при температуре 500—650 °C в атмосфере аммиака или в азотсодержащих солях. Азотирование обеспечивает высокую твёрдость (до 70 HRC) и износостойкость, а также повышенную коррозионную стойкость. В отличие от цементации, азотирование не требует последующей закалки, что снижает деформацию деталей. Применяется для изготовления гильз цилиндров, коленчатых валов, деталей топливной аппаратуры, пресс-форм.

Цианирование (нитроцементация)

Цианирование — это одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом. Процесс проводят при температуре 820—950 °C в расплавах цианистых солей (жидкое цианирование) или в газовой среде, содержащей аммиак и углеводороды (газовое цианирование). Цианирование обеспечивает более высокую скорость насыщения по сравнению с цементацией и позволяет получить слой с высокой твёрдостью и износостойкостью. Применяется для мелких и средних деталей сложной формы: инструмента, крепежа, деталей подшипников.

Борирование

Борирование — это насыщение поверхности бором. Процесс ведут при температуре 900—1050 °C в порошковых смесях, расплавах солей или газовой среде. Борированный слой обладает исключительно высокой твёрдостью (до 2000 HV) и износостойкостью, особенно при абразивном износе, а также стойкостью к окислению при высоких температурах. Недостатком является хрупкость слоя. Применяется для деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа: лопаток насосов, сопел, штампов, деталей бурового оборудования.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация — это насыщение поверхности алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), цинком (цинкование) и другими металлами. Процесс проводят в порошковых смесях, расплавах или газовой среде при температурах 800—1200 °C. Цель — придание деталям жаростойкости, коррозионной стойкости или окалиностойкости. Например, алитирование применяется для защиты лопаток газовых турбин и выхлопных систем, хромирование — для повышения износостойкости и коррозионной стойкости штампов и пресс-форм.

Технологические параметры и оборудование

Основными параметрами химико-термической обработки являются:

• Температура — определяет скорость диффузии и фазовые превращения в насыщающем слое. Для большинства процессов температура составляет 0,5—0,8 от температуры плавления обрабатываемого материала.
• Время выдержки — влияет на глубину диффузионного слоя. Зависимость глубины от времени подчиняется параболическому закону (глубина пропорциональна квадратному корню из времени).
• Состав насыщающей среды — определяет концентрацию диффундирующего элемента на поверхности и, следовательно, свойства слоя.
• Давление — в газовых процессах (например, вакуумное азотирование) давление может регулировать скорость насыщения.

Для проведения химико-термической обработки используются печи различных типов: шахтные, камерные, муфельные, вакуумные, а также установки с контролируемой атмосферой. В современной промышленности широко применяются автоматизированные комплексы, обеспечивающие точное поддержание температуры, давления и состава газовой среды.

Применение

Химико-термическая обработка используется в машиностроении, авиастроении, автомобилестроении, судостроении, энергетике, инструментальной промышленности и других отраслях. Она позволяет:

• Повысить твёрдость и износостойкость деталей (шестерни, валы, подшипники, кулачки).
• Увеличить коррозионную стойкость в агрессивных средах (трубы, арматура, химическая аппаратура).
• Обеспечить жаростойкость и окалиностойкость при высоких температурах (лопатки турбин, сопла, камеры сгорания).
• Улучшить усталостную прочность и контактную выносливость (зубчатые колёса, пружины).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Возможность получения уникального сочетания свойств: твёрдой поверхности и вязкой сердцевины.
• Высокая износостойкость и долговечность деталей.
• Улучшение коррозионной и жаростойкости без изменения химического состава всего объёма материала.
• Возможность обработки деталей сложной формы.

Недостатки:

• Длительность процесса (от нескольких часов до десятков часов).
• Высокое энергопотребление.
• Необходимость специального оборудования и контролируемых атмосфер.
• Возможность деформации и коробления деталей при последующей закалке (для цементации).
• Ограниченная глубина диффузионного слоя (обычно не более 2—3 мм).

Интересные факты

• Процесс азотирования был впервые запатентован в 1906 году немецким инженером Адольфом Махлером.
• В СССР в 1950-х годах были разработаны технологии ионного азотирования (азотирование в тлеющем разряде), которые позволили сократить время обработки в 2—3 раза.
• Борирование стали может повысить её твёрдость до значений, превышающих твёрдость карбида вольфрама (сплава ВК8).
• Современные методы химико-термической обработки, такие как вакуумное азотирование и плазменная цементация, позволяют обрабатывать детали с минимальной деформацией и без последующей механической обработки.

Источники

• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.
• Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
• Технология металлов и конструкционные материалы / Под ред. Б. А. Кузьмина. — М.: Высшая школа, 1989.
• Справочник по термической обработке металлов / Под ред. М. Л. Бернштейна. — М.: Металлургия, 1983.
• ГОСТ 20495-75. Обработка химико-термическая. Термины и определения.