Химико-термическая обработка сталей: виды и режимы

Химико-термическая обработка сталей (ХТО) - это насыщение поверхности детали другим элементом при высокой температуре с одновременным нагревом. Цель почти всегда одна: получить твёрдый износостойкий слой на поверхности и сохранить вязкую сердцевину, которая держит удар. Поверхность насыщается углеродом, азотом, бором или их сочетанием, элемент диффундирует вглубь металла, и образуется диффузионный слой заданной толщины. Ниже разберём основные виды ХТО, чем они отличаются по температуре, твёрдости и глубине слоя, как этот слой считают и где студенты чаще всего путаются. Чтобы сразу почувствовать связь температуры, времени и глубины слоя, покрутите калькулятор ниже: он считает глубину по тому же закону, который мы выведем дальше.

Что такое химико-термическая обработка и зачем она нужна

В отличие от обычной термообработки, которая меняет только структуру металла за счёт нагрева и охлаждения, химико-термическая обработка меняет ещё и химический состав поверхностного слоя. Деталь помещают в среду, богатую насыщающим элементом (газ, расплав соли, порошок), и выдерживают при температуре, при которой атомы этого элемента активно проникают в кристаллическую решётку железа. Любой процесс ХТО состоит из трёх стадий: диссоциация - распад исходного вещества с выделением активных атомов; адсорбция - оседание этих атомов на поверхности; диффузия - их перемещение вглубь металла. Именно скорость диффузии определяет, насколько толстым вырастет слой за заданное время.

Рассчитать для своей задачи

Основные виды ХТО

Виды химико-термической обработки различают по тому, каким элементом насыщают поверхность.

• Цементация - насыщение углеродом при $900$-$950$ °C. Применяется для низкоуглеродистых сталей (20, 20Х, 18ХГТ): сердцевина остаётся вязкой, а после цементации деталь обязательно закаливают и дают низкий отпуск, чтобы насыщенный углеродом слой стал твёрдым.
• Азотирование - насыщение азотом при $500$-$560$ °C. Даёт самый твёрдый слой и не требует закалки, потому что твёрдость создают нитриды легирующих элементов. Низкая температура почти не коробит деталь.
• Нитроцементация (цианирование) - одновременное насыщение углеродом и азотом. Объединяет достоинства двух процессов: идёт быстрее цементации и при более низкой температуре.
• Борирование - насыщение бором при $900$-$1000$ °C. Слой боридов имеет экстремальную твёрдость и стойкость к абразиву, но он тонкий и хрупкий.
• Диффузионная металлизация - насыщение металлами (хромирование, алитирование, силицирование) для жаростойкости и коррозионной стойкости.

Как считают глубину диффузионного слоя

Глубина слоя при ХТО растёт не линейно, а по закону корня из времени - это прямое следствие диффузионной природы процесса. Базовая формула:

$x = k\sqrt{D\,t},$

где $x$ - глубина слоя, $t$ - время выдержки, $D$ - коэффициент диффузии насыщающего элемента, а $k$ - безразмерный множитель, зависящий от требуемой концентрации на границе слоя (для инженерных оценок $k \approx 0{,}9$). Коэффициент диффузии сильно зависит от температуры по закону Аррениуса:

$D = D_0\,e^{-Q/(RT)},$

где $D_0$ - предэкспоненциальный множитель, $Q$ - энергия активации диффузии, $R = 8{,}314$ Дж/(моль·К) - газовая постоянная, а $T$ - абсолютная температура в кельвинах. Главный практический вывод параболического закона: чтобы удвоить глубину слоя, время выдержки нужно увеличить вчетверо. Поэтому выгоднее поднимать температуру (она входит в экспоненту), а не наращивать часы.

Рассчитать для своей задачи

На графике глубины от времени видно, почему так. Кривая $x = k\sqrt{Dt}$ круто идёт вверх в начале и постепенно выполаживается: первые десятые доли миллиметра набираются за часы, а каждый следующий слой дорожает по времени. Калькулятор выше строит ровно эту кривую и ставит точку на текущем времени выдержки, так что эффект видно сразу.

Чем отличаются виды ХТО по глубине и твёрдости

Разные процессы дают разный по толщине и твёрдости слой при одной и той же температуре, потому что у каждого элемента свои $D_0$ и $Q$. Углерод диффундирует в железе быстро, поэтому цементация при $920$ °C за $6$ часов даёт слой около $0{,}45$ мм. Азот при тех же температурах двигался бы быстрее, но азотирование ведут при $500$-$560$ °C, и из-за низкой температуры слой растёт медленно - десятки часов на $0{,}3$ мм, зато он самый твёрдый. Бор имеет высокую энергию активации, поэтому борированный слой самый тонкий, около $0{,}15$-$0{,}2$ мм, но и самый твёрдый из всех.

Рассчитать для своей задачи

Это и объясняет выбор процесса под задачу: нужен толстый рабочий слой под высокие контактные нагрузки - цементация; нужна максимальная твёрдость поверхности без коробления - азотирование; нужна стойкость к абразиву на тонкой кромке - борирование. Калькулятор выше показывает это сравнение столбиками: при одних и тех же температуре и времени три процесса дают заметно разную глубину.

Какой вид ХТО выбрать для детали

Выбор вида химико-термической обработки определяется условиями работы детали и маркой стали. Зубчатые колёса, валы, кулачки, работающие на контактную усталость и износ, обычно цементируют: им нужен глубокий слой и вязкая сердцевина. Точные детали, которые нельзя коробить (гильзы, шестерни приборов, штампы), азотируют - низкая температура процесса сохраняет геометрию. Детали, работающие на абразивный износ (фильеры, направляющие), борируют. Важно помнить, что цементация и борирование требуют последующей термообработки и могут вести к короблению, а азотирование - финишная операция, после которой деталь почти не обрабатывают.

Частые ошибки

• Линейный закон вместо параболического. Глубина растёт как $\sqrt{t}$, а не пропорционально времени. Удвоение глубины требует увеличения времени в четыре раза, а не в два.
• Температура в градусах Цельсия в формуле Аррениуса. В выражении $D = D_0 e^{-Q/(RT)}$ температура $T$ должна быть в кельвинах: $T_K = t_{°C} + 273{,}15$.
• Путаница цементации и азотирования. Цементация - насыщение углеродом при высокой температуре с обязательной закалкой; азотирование - насыщение азотом при низкой температуре без закалки. Это разные процессы с разной твёрдостью слоя.
• Цементация высокоуглеродистой стали. Цементируют только низкоуглеродистые стали (до $0{,}25$ % C): иначе сердцевина станет хрупкой и пропадёт смысл операции.
• Забыли отпуск после закалки. После цементации и закалки обязателен низкий отпуск, иначе слой остаётся хрупким из-за внутренних напряжений.

FAQ

Чем цементация отличается от азотирования? Цементация насыщает поверхность углеродом при $900$-$950$ °C и требует последующей закалки с низким отпуском. Азотирование насыщает азотом при $500$-$560$ °C и закалки не требует - твёрдость создают нитриды. Азотированный слой твёрже и тоньше, а деталь почти не коробится из-за низкой температуры.

Почему глубина слоя растёт как корень из времени? Это следствие диффузии: поток атомов вглубь убывает по мере того, как градиент концентрации сглаживается. Решение уравнения диффузии даёт зависимость $x = k\sqrt{Dt}$, поэтому каждый следующий миллиметр слоя набирается всё медленнее.

Какой вид ХТО даёт самый твёрдый слой? Самую высокую твёрдость даёт борирование (бориды железа), затем азотирование. Цементированный слой после закалки уступает им по твёрдости, зато его можно сделать намного толще и он менее хрупкий.

Коротко

Химико-термическая обработка сталей - это насыщение поверхности углеродом, азотом, бором или металлами при высокой температуре ради твёрдого слоя на вязкой сердцевине. Основные виды - цементация, азотирование, нитроцементация и борирование - различаются насыщающим элементом, температурой и твёрдостью слоя. Глубина слоя растёт по параболическому закону $x = k\sqrt{Dt}$ с коэффициентом диффузии по Аррениусу $D = D_0 e^{-Q/(RT)}$, поэтому удвоение слоя требует вчетверо большего времени, а температура влияет на рост сильнее времени.