Химико-термическая обработка стали широко применяется в промышленности для улучшения свойств поверхности металла. Она позволяет создавать износостойкие, коррозионно-стойкие и твердые поверхностные слои. Давайте разберемся, в чем заключается сущность этого метода и почему он так важен.
Сущность химико-термической обработки стали
Химико-термическая обработка (ХТО) — это комплекс технологических операций по нагреву металлических изделий до высоких температур в среде активных химических элементов или их соединений. Целью ХТО является изменение состава и свойств поверхности металла путем насыщения ее определенными элементами.
Основные составляющие химико-термической обработки:
- Нагрев заготовки до температуры насыщения
- Выдержка при этой температуре в течение необходимого времени
- Охлаждение с регламентированной скоростью
В результате ХТО образуется диффузионный слой, в котором изменяются химический и фазовый составы, структура и свойства стали. Этот слой обеспечивает повышенные эксплуатационные характеристики поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость.
К основным видам химико-термической обработки относят:
- Азотирование (насыщение азотом)
- Цементация (насыщение углеродом)
- Цианирование (насыщение углеродом и азотом)
- Алитирование, хромирование, борирование и др.
ХТО широко используется в машиностроении, инструментальной, автомобильной и других отраслях промышленности. Главные цели применения химико-термической обработки:
- Повышение износостойкости рабочих поверхностей деталей
- Придание коррозионной стойкости
- Упрочнение и восстановление изношенных поверхностей
Формирование диффузионного слоя
При химико-термической обработке происходит диффузия (взаимное проникновение) атомов насыщающего элемента в поверхностные слои металла. Скорость этого процесса возрастает с повышением температуры. По мере протекания диффузии образуется концентрационный градиент — изменение концентрации диффундирующего элемента по глубине.
На толщину диффузионного слоя влияют такие факторы:
- Температура ХТО
- Продолжительность процесса
- Концентрация насыщающего элемента на поверхности
- Скорость охлаждения
В зависимости от вида химико-термической обработки и параметров процесса толщина упрочненного слоя может составлять от десятых долей миллиметра до 1-2 мм.
Увеличение толщины диффузионного слоя позволяет расширить области применения химико-термической обработки. Например, восстанавливать крупногабаритные изношенные детали методом ХТО.
Свойства диффузионного слоя напрямую зависят от его химического состава. Различные легирующие элементы по-разному влияют на твердость, износостойкость и другие характеристики стали. Оптимальный выбор вида ХТО определяется условиями работы конкретной детали.
Так, азотирование и цианирование эффективны для повышения износостойкости, а цементация обеспечивает высокую объемную прочность и вязкость цементованного слоя.
| Вид ХТО | Основное действие |
| Азотирование | Повышает твердость и износостойкость |
| Цементация | Повышает прочность и вязкость |
| Борирование и хромирование | Придает коррозионную стойкость |
Таким образом, благодаря широкому выбору видов химико-термической обработки можно эффективно решать задачи упрочнения деталей с различными условиями эксплуатации.
Особенности разных методов ХТО
Существуют традиционные и современные методы химико-термической обработки стали. К традиционным относятся упомянутые выше азотирование, цементация, цианирование и некоторые другие. Они реализуются в печах и ваннах с жидкими или твердыми насыщающими средами.
Современные методы ХТО включают ионное азотирование, вакуумную цементацию, плазменную обработку и др. Для их осуществления применяется сложное вакуумное или плазменное оборудование, позволяющее строго контролировать все параметры процесса.
Применение химико-термической обработки
ХТО широко применяется в машиностроении, инструментальной, автомобильной, авиационной и других высокотехнологичных отраслях промышленности. Обработке подвергаются самые разные детали:
- Детали цилиндропоршневых групп двигателей
- Подшипники и вкладыши
- Зубчатые колеса и шестерни
- Резцы, сверла, фрезы и другой режущий инструмент
К поверхности таких деталей после ХТО предъявляются повышенные требования по износостойкости, коррозионной стойкости, твердости, контактной выносливости.
Подготовка стали к химико-термической обработке
Для успешного проведения ХТО необходим тщательный выбор стали и предварительная подготовка заготовок:
- Выбор марки стали с оптимальным химическим составом
- Удаление окалины и загрязнений с поверхности
- Контроль исходной структуры и твердости стали
- Механическая обработка заготовок по размерам
Все эти операции влияют на однородность и толщину формируемого диффузионного слоя, а значит - на эксплуатационные характеристики готовых изделий.
Проведение химико-термической обработки
Сам процесс ХТО реализуется с использованием различного термического, вакуумного или плазменного оборудования. Заготовки загружают в рабочую камеру и нагревают до заданной температуры насыщения, поддерживаемой в течение необходимого времени.
Основные режимы химико-термической обработки:
- Температура: 400-1200 °C в зависимости от вида ХТО
- Время выдержки: от нескольких часов до нескольких суток
- Среда: твердая, жидкая, газообразная или ионизированный газ
- Давление среды: от вакуума до высокого давления газа
После проведения химико-термической обработки важно оценить качество полученного диффузионного слоя. Для этого используются различные методы контроля.
Методы контроля качества ХТО:
- Измерение микротвердости по глубине диффузионного слоя
- Металлографический анализ микроструктуры
- Определение пористости и наличия дефектов
- Испытания на износостойкость и коррозионную стойкость
По результатам контроля делается заключение о соответствии диффузионного слоя заданным требованиям.
Восстановление дефектных слоев
Если в результате контроля были выявлены дефекты диффузионного слоя, проводят его восстановление. Для этого используют повторную ХТО или механическую обработку.
Способы восстановления дефектного слоя:
- Повторная ХТО с измененными режимами
- Механическое удаление дефектного слоя
- Наплавка и последующая ХТО
Таким образом восстанавливают требуемые эксплуатационные характеристики поверхности деталей.
Экономический эффект от ХТО
Применение химико-термической обработки позволяет получить существенный экономический эффект за счет:
- Снижения расхода легирующих элементов и сплавов
- Увеличения стойкости и срока службы деталей
- Сокращения простоев оборудования
- Импортозамещения дорогостоящих технологий и материалов
Кроме того, применение ХТО вместо замены изношенных деталей новыми позволяет сэкономить средства на изготовлении комплектующих.
