ХТО (Химико - термическая обработка)

 

ХТО (Химико - термическая обработка) представляет собой процесс высокотемпературного диффузионного насыщения поверхности металлов различными химическими элементами, т.е. данный процесс осуществляется посредством сочетания термической и химической обработок. Для обеспечения диффузии данный процесс протекает при высоких температурах и для каждой марки стали и насыщаемого элемента (или элементов) имеет свои особенности. В зависимости от специфики и типа насыщаемого элемента различают:

1. ХТО с насыщением металлических элементов;
2. ХТО с насыщением неметаллических элементов;
3. ХТО с удалением элементов.
 

Целью ХТО является изменить механические свойства сталей. В основном ХТО применяется для деталей, работающих на износ и одновременно под ударными нагрузками. Насыщение поверхности стали инородными веществами приводит к увеличению твердости и износостойкости поверхности изделия, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой. Такая комбинация твердой поверхности и мягкой сердцевины благодаря образованию сжимающих поверхностных напряжений приводит к увеличению усталостной прочности материала, однако вязкость несколько снижается.
В зависимости от вида насыщаемого на поверхность стали элемента различают следующие виды ХТО: Цементация (насыщение углеродом), Азотирование (насыщение азотом), Нитроцементация (комплексное насыщение углеродом и азотом), Алитирование (насыщение алюминием), Хромирование (насыщение хромом), Силицирование (насыщение кремнием) и другие. 
В зависимости от состояния применяемого диффундирующего (насыщаемого) элемента ХТО подразделяют на твердое, жидкое и газовое. Наименее эффективным и малоприменяемым является ХТО в твердой среде, т.к. в этом случае диффузия протекает при непосредственном контакте стали с диффундирующим элементом с очень низкой скоростью. Наиболее распространенной является газовая ХТО.
Процесс химико-термической обработки протекает по следующей схеме: 
1. Образование насыщаемого элемента в атомарном состоянии, которое образуется вследствии протекания высокотемпературных реакций.
2. Абсорбция (осаждение и контакт с поверхностью стали) насыщаемого элемента на поверхность стали.
3. Диффундирование насыщаемого элемента в глубь стали.
Определяющими факторами процесса ХТО, влияющими на величину глубины получаемого диффузионного слоя, являются продолжительность процесса и его температура. Но эта зависимость не является прямо пропорциональной, она скорее экспоненциальна (рис. 1).

 

Рис.1 Кривые зависимости толщины слоя насыщения от продолжительности и температуры выдержки (а и б), в) интенсивность насыщения в зависимости от концентрации насыщаемого элемента в среде.

 

Так зависимость глубины диффундирования от температуры (а) можно представить в виде следующей формулы: 

Зависимость глубины диффундирования от продолжительности насыщения (б) определяется по формуле:

Т.е. для увеличения глубины в 3 раза продолжительность процесса необходимо увеличить приблизительно в 10 раз.

Также глубина диффузии зависит от концентрации диффундирующего элемента в среде насыщения. Ясно, что чем больше будет его концентрация и чем больше будет разность между концентрацией данного элемента в среде и в металле, - тем выше будет скорость диффузии. Как видно из схемы (в) при равных условиях (продолжительность и температура насыщения равны) для среды с больше концентрацией (кривая 1) процесс насыщения протекает интенсивнее, чем для среды, соответствующей кривой 2.
Диффузионный слой в процессе насыщения может иметь как однофазную так и двуфазную структуру, также возможно образование двухфазной структуры в процессе охлаждения стали. Если двухфазная структура образуется в процессе насыщения, то такая ХТО называется реактивной.
Рассмотрим образование диффузионной зоны на примере Цементации (насыщения углеродом) углеродистой стали с содержанием углерода менее 0.1% (рис.2).

Рис.2 Диффузионные процессы при Цементации

В верхней части рис.2 показана правая часть диаграммы Fe-C. Исходный состав стали соответствует линии III, т.е. содержание углерода не достигает 1%. В результате цементации содержание углерода на поверхности достигла приблизительно 0.9% (линия I). Для цементации сталь нагревается до А-ой зоны и в процессе насыщения сталь находится в однофазном А-ом состоянии. После цементации состав стали по глубине (от поверхности до сердцевины) изменяется по кривой, показанной на нижней части рисунка 2. Как видно после охлаждения поверхностная зона (0.8 - 0.9 %C) будет состоять из Ф (Феррита) и Ц (Цементита), затем следует эвтектика Перлита, а потом Ф и П, а потом и просто Ф - ит (первоначальная структура стали).  Если рассмотрим процесс охлаждения поверхностной зоны (линия I), то увидим что сначало (точка а) из А (Аустенита) начинает выделяться вторичный Ц (Цементит), а затем при пересечении с линией эвтектоидного превращения (точка b) А-ит превращается в П-ит и образуется структура Ц+П.

А вот при охлаждении более глубокого слоя (линия II) А-ит сохраняется до температуры эвтектоидного превращения, при котором он и превращается в П (Перлит). 
Сердцевина стали (линия III) содержит очень мало углерода, поэтому при охлаждении из А-та начинает выделяться Ф-ит.

Глубину полученного слоя обычно определяется посредством травления (рис. 3).

Рис.3 Микроструктура диффузионной зоны после медленного охлаждения с температуры науглероживания железа [1]

На рисунке 3 концентрация углерода в структуре уменьшается справа налево, т.е. правый край, - это цементированная поверхность.

Как видно насыщенная зона имеет более темный цвет, затем наступает переходная зона, а потом и бездиффузионная зона. В некоторых случаях, когда диффузионная зона состоит из одной фазы и представляет собой твердый раствор, глубину слоя методом травления бывает сложно. В этом случае она определяется посредством определения твердости по поперечному сечению образца, т.к. твердость с уменьшением содержания насыщенного элемента, от поверхности к сердцевине, уменьшается.
Одним из основных недостатков ХТО является длительность процесса (при азотировании он может составлять более 70часов), поэтому он применяется лишь в крайних случаях для изготовления ответственных деталей.

 

Литература:

1.  И.И. Новиков Теория термической обработки. М., "Металлургия", 1978г.

2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева Материаловедение. М., "Машиностроение", 1980г.