Химико-термическая обработка (ХТО), при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом.

Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости при изгибе и кручении. Твердость поверхностного слоя после цементации и термической обработки составляет 60…63 HRC.

Подвергаются, как правило, стали с низким содержанием углерода (0,1 - 0,2% С), например, стали 15, 20, 25, 15Х, 20Х. Глубина цементованного слоя обычно составляет 1 – 2 мм, но может быть и больше. Степень цементации (среднее содержание углерода в поверхностном слое) обычно не более 1,2% С.

Все детали, независимо от способа цементации, обязательно подвергают закалке с низким отпуском (высокая твердость поверхностного слоя + сохранение мягкой вязкой сердцевины). Отпуск всегда проводят низкий при 160…180°С. В поверхностном слое получается структура отпущенного мартенсита, частично снимаются внутренние напряжения.

Для неответственных деталей закалку проводят 1 раз с температурой 820 – 850°С. Для более ответственных деталей: 1) закалка (или нормализация) с 880 – 900°С; 2) вторая закалка с 760 – 780°С для получения мелкоигольчатого мартенсита в повехностном слое.

Цементацию стальных деталей осуществляют в твердых, газовых и жидких карбюризаторах. На практике цементацию проводят в твердых и газовых средах.

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование (50 – 100 мкм), укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используют древесный уголь с добавками углекислых солей BaCO3, Na2CO3 в количестве 10…40%. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950°С.
Этот способ обладает следующими недостатками: значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час), низкая производительность процесса, громоздкое оборудование, сложность автоматизации процесса. Применяется в мелкосерийном производстве.

Процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором, обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка металлов, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.
Газовую цементацию широко применяют в массовом производстве.

 

Химико-термический процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом.

Азотирование повышает твердость поверхностного слоя детали (для легированных сталей до 1000 – 1200 HV), износостойкость, сопротивление коррозии. Твердость азотированного слоя стали сохраняется при нагреве до температур 450 – 550°С, что выше соответствующего показателя цементованного слоя.

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

Для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, хром, молибден, титан и др. элементы. Нитриды этих элементов обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Толщина слоя порядка 0,3…0,6 мм, твердость достигает 1000…1200 HV. Скорость азотирования составляет около 0,01 мм/час.
Типовые азотируемые стали: 35ХМЮА и 38ХМЮА.

Для повышения износостойкости процесс проводят при температуре 500…560°С в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. На поверхности получают твердость около 1000 HV.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700°С, продолжительность процесса – 10 часов.

 

ХТО, при которой поверхность одновременно насыщается углеродом и азотом.

Цианированию подвергают детали из сталей, содержащих 0,2…0,4% углерода, путем погружения изделия в ванну с солями, содержащими группу CN.

Цианирование имеет ряд преимуществ по сравнения с цементацией:
1) более высокая износостойкость поверхностного слоя
2) меньшие деформации
3) более быстрый процесс

Существует 3 вида цианирования:
1) высокотемпературное – проводят при температуре 950 град, при этом поверхность насыщается углеродом до 1,2% и азотом до 0,3%. Строение поверхностного слоя аналогично цементованному. После этого вида цианирования детали подвергаются закалке и низкому отпуску. Используется для обработки деталей испытывающих повышенный износ.
2) среднетемпературное – проводят при температуре 850 град, при этом поверхность насыщается углеродом до 0,7% и азотом до 1,2%. После этой операции детали подвергаются закалке и низкому отпуску. Используется для упрочнения мелких деталей.
3) низкотемпературное - проводят при температуре 700 град, поверхность насыщается в основном азотом. Используется при обработке деталей, работающих в условиях повышенного износа. Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей. Является окончательной обработкой.