Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками.

В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах.

Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого контакта его с поверхностью изделия. Этот процесс мало эффективен, и применяют его редко. Обычно твердую среду используют для создания активной газовой или паровой фазы, из которой атомы поступают в изделие.

Например, при цементации в твердом карбюризаторе (древесном угле) атомы углерода, диффундирующие в сталь, образуются из окиси углерода (2СО → C + CO2), а древесный уголь необходим лишь для образования газовой фазы.

Другой пример — диффузионное хромирование в «твердой» среде, когда изделие упаковано с порошком хрома или феррохрома. При нагреве хром испаряется и его атомы поступают в изделие главным образом из паровой фазы, а не в местах прямого контакта порошка с поверхностью изделия.

При химико-термической обработке в жидкой среде атомы элемента, диффундирующего в изделие, образуются в результате химических реакций в расплавленной соли (например, в NaCN при цианировании стали) или непосредственно поступают из расплавленного металла (например, из расплава алюминия при диффузионном алюминировании стали).

При химико-термической обработке в газовой среде диффундирующий элемент образуется в результате реакций диссоциации (СН4 → С + 2Н2), диспропорционирования (2СО → С + СО2), обмена (CrCl2 + Fe → Cr + FeCl2) и восстановления (VCl2 + H2 + 2НСl).

Газовая среда и активная газовая фаза, образующаяся при нагреве изделий в твердой среде, в промышленных процессах служат самыми распространенными поставщиками атомов элементов, которыми обогащаются поверхностные слои изделия.

Для химико-термической обработки наиболее удобна чисто газовая среда: ее состав легко регулировать, она быстро прогревается до заданной температуры, позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс химико-термической обработки и сразу проводить закалку (без повторного нагрева).

Приведенные примеры показывают, что классификация методов химико-термической обработки по агрегатному состоянию среды, в которую помещено изделие, не всегда согласуется с физико-химической сущностью процесса обработки.

Основываясь на физико-химической характеристике активной фазы, поставляющей диффундирующий элемент, Г. Н. Дубинин предложил следующую классификацию методов химико-термической обработки: насыщение из твердой фазы, насыщение из паровой фазы, насыщение из газовой фазы и насыщение из жидкой фазы.

Согласно этой классификации, цементацию стали в твердом карбюризаторе следует относить к методу насыщения из газовой фазы, а диффузионное хромирование в порошке хрома — к методу насыщения из паровой фазы.

По характеру изменения химического состава обрабатываемого изделия все разновидности химико-термической обработки можно разделить на три группы: диффузионное насыщение неметаллами, диффузионное насыщение металлами и диффузионное удаление элементов. Эти группы включают разнообразные промышленные процессы химико-термической обработки.

Разновидности химико-термической обработки

Диффузионное насыщение неметаллами Диффузионное насыщение металлами Диффузионное удаление элементов
Науглероживание (цементация) Алкжинирование (алитирование) Обезводороживание
Азотирование Хромирование диффузионное Обескислороживание
Цианирование Хромоалитирование Обезуглероживание
Нитроцементация Цинкование диффузионное Комплексное удаление примесей
Борирование Меднение диффузионное
Силицирование Титанирование
Сульфидирование Бериллизация
Сульфоциаинрование Ванадироваиие
Насыщение кислородом

Каждый процесс химико-термической обработки может осуществляться разными методами (насыщением из газовой, паровой, жидкой или твердой фазы) и в самом разнообразном техническом наполнении (например, с получением активной газовой фазы в рабочем пространстве печи или в отдельном генераторе и т. п.).

Подробный анализ этих процессов можно найти в монографиях А. Н. Минкевича, Ю. М. Лахтина и Г. Н. Дубинина. Ниже в качестве примеров кратко рассмотрены некоторые типичные разновидности химико-термической обработки. Эти примеры относятся главным образом к сталям, так как химико-термическая обработка чугунов и цветных металлов и сплавов в промышленности применяется несравненно реже.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот: В системе Fe — N при температурах азотирование могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная ε-фаза с…

Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами проводят при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами. Типичные примеры — алитирование и хромирование. Алитирование (алюминирование) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитируют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропрочных…

Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами — наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки. Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке,…

Особенности строения диффузионной зоны

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия (смотрите рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется. Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается…

Кинетика роста однофазных слоев

Рассмотрим кинетику роста однофазных слоев при химико-термической обработке, основываясь на анализе диффузионных процессов, выполненном А. А. Поповым. При диффузии элемента В в металл А за время dτ граница β-фазы продвинется в сторону α-фазы на величину dL (смтрите соответствующую диаграмму состояния на рисунке Диаграмма состояния двойной системы А — В и распределение элемента в диффузионной зоне…