Химико-термическая обработка стали: сущность, процессы и цементация

Химико-термическая обработка стали

Иногда деталь должна быть одновременно и твёрдой снаружи, и вязкой внутри — чтобы держать удар и при этом сопротивляться истиранию. Добиться такого сочетания помогает особая технология, которая меняет не всю деталь целиком, а лишь её поверхностный слой. Разберём, что она собой представляет, на какие виды делится и как устроен один из самых распространённых её процессов — цементация.

Зачем это нужно и что происходит с металлом

Главная идея процесса — насытить поверхность изделия определёнными элементами. В результате на поверхностном слое формируется так называемый диффузионный слой: у него меняются структура, химический и фазовый состав, а вместе с ними и свойства.

Чего именно добиваются с помощью такой обработки? Спектр задач широкий:

• упрочнить поверхность металлов и сплавов;
• облегчить последующие технологические операции;
• повысить стойкость к химической и электрохимической коррозии;
• придать изделию нужный декоративный вид;
• обеспечить необходимые физические свойства.

Чаще всего под обработку попадают сплавы на основе железа, твёрдые сплавы и материалы на базе тугоплавких металлов.

Как классифицируют процессы

Разделить всё многообразие методов удобно по двум признакам.

По числу насыщающих компонентов. Здесь выделяют два семейства:

• однокомпонентные — цементация, алитирование, силицирование, хромирование, борирование;
• многокомпонентные — нитроцементация, хромоалитирование, бороалитирование, хромосилицирование.

Наиболее востребованы в промышленности сегодня цементация, азотирование, цианирование и нитроцементация.

По фазе, из которой идёт насыщение. Тут три варианта:

1. насыщение из газовой фазы;
2. насыщение из твёрдой фазы;
3. насыщение из жидкой фазы.

Цементация стали

Под характеристиками здесь понимают прежде всего твёрдость и износостойкость. При этом сердцевина детали должна оставаться достаточно вязкой. Чтобы совместить эти требования, нужны сразу два условия: высокая температура и среда, отдающая свободный углерод.

Поверхностный слой науглероживают при нагреве в пределах 850–950 °C. Именно в этом диапазоне активно выделяется углерод, который затем проникает в межкристаллическое пространство стали. Процесс идёт неспешно — углерод продвигается со скоростью всего 0,1 мм в час.

Проводят цементацию в средах-карбюризаторах, и таких сред четыре:

• газовая;
• твёрдая;
• жидкая;
• вакуум.

Особенно охотно к цементации прибегают при изготовлении деталей, работающих под ударными нагрузками. Твёрдая поверхность продлевает срок службы, а вязкая сердцевина гасит удары.

Цементация в твёрдой среде

Роль твёрдого карбюризатора играет смесь древесного угля с солями угольной кислоты и щелочных металлов. Доля угля при этом может доходить до 90 %.

Чтобы приготовить такую смесь, компоненты дробят. Размер частиц не должен превышать 10 мм, а пыли и мелкой крошки в составе быть не должно. Дальше используют один из двух способов смешивания:

• сухой — соль и уголь тщательно перемешивают в сухом виде;
• влажный — соль растворяют в воде, а полученным раствором смачивают древесный уголь.

Уголь перед этим подсушивают: его влажность не должна выходить за 7 %.

Сам процесс разбивается на шесть шагов:

1. детали укладывают в специальные металлические ящики и пересыпают угольным составом;
2. ящики герметизируют и отправляют в заранее прогретую печь;
3. сначала идёт прогрев до 700–800 °C;
4. проводят визуальный контроль — окраска ящиков должна быть ровной, без тёмных пятен;
5. температуру поднимают до 850–950 °C;
6. выдержку держат столько, сколько требует нужная толщина слоя.

Цементация в вакууме

Вакуумный вариант выстраивается по своей цепочке операций:

1. детали загружают в холодную печь;
2. после герметизации и начала нагрева в камере создают вакуум;
3. печь доводят до рабочей температуры;
4. выдерживают детали;
5. под давлением подают углеводородный газ;
6. углерод диффузионно внедряется в металл, а в камере вновь создают вакуумное давление;
7. цикл повторяют до тех пор, пока слой не достигнет нужной глубины;
8. в финале металл остужают до комнатной температуры.