Химико-термической обработкой (ХТО) называют поверхностное насыщение стали соответствующими элементами путем их диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах.

ХТО следует рассматривать как физико-химический процесс взаимодействия металла с газовой средой. Он включает три элементарные стадии:

1. образование атомарного диффундирующего элемента;
2. контактирование его с поверхностью стального изделия и проникновение в кристаллическую решетку;
3. диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Глубина проникновения зависит от температуры и продолжительности процессов. Диффузионные процессы протекают легче при образовании твердых растворов внедрения (углерод, азот) по сравнению с твердыми растворами замещения. В результате в поверхностном слое могу образовываться твердые растворы переменной концентрации или химические соединения.

Целью ХТО является повышение прочности, твердости, коррозионной стойкости и износостойкости поверхностного слоя. Основными видами ХТО являются цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, борирование.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом.

Цементацию проводят при температурах выше точки Ас₃ (930… 950 ⁰С), когда аустенит может растворять углерод в большом количестве. Окончательные свойства достигаются в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,10… 0,23 % С), которые практически не упрочняются закалкой. Толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5…1,8 мм. Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8…1,2 %; твердость слоя 50…62 НRС.

Цементацию можно проводить в твердом и газовом карбюризаторе.

Цементация твердым карбюризатором

Этот процесс проводится в древесном угле или каменноугольном полукоксе и торфяном коксе, к которым добавляют активаторы. Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20…35 % ВаСО₃ и 3,5 % СаСО₃, который добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатора.

Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики. На дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20…30 мм, на который укладывают первый ряд деталей. Их засыпают слоем карбюризатора толщиной 10…15 мм, а на него укладывают следующий слой деталей и т.д. Последний ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35…40 мм. Ящик закрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь. Нагрев до температуры цементации составляет от 7 до 9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Время выдержки может достигать 14 часов. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400…500 ⁰С и затем открывают.

Цементация стали осуществляется атомарным углеродом. Кислород, который находится в ящике взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя оксид углерода СО (из-за недостатка кислорода), который в присутствии железа диссоциирует:

2СО -> СО₂ + С.

Этот атомарный углерод диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу оксидом углерода:

ВаСО₃ + С -> ВаО + 2СО.

Газовая цементация

Процесс осуществляется нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. В качестве карбюризатора используют природный газ, состоящий почти полностью из метана (СН₄) и пропанбутановых смесей, а также жидких углеводородов (керосина, бензола), из которых пиролизом получает СО. Основными реакциями получения атомарного углерода являются диссоциация оксида углерода или метана:

2СО -> СО₂ + С;

СН₄ -> 2Н₂ + С.

В печах непрерывного действия для цементации применяют эндотермическую атмосферу, состоящую из 95…97 % эндогаза (20 % СО, 40 % Н₂ и 40 % N₂) и 3…5 % природного газа.

Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе: можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.