Химико-термической обработкой, как было отмечено ранее, называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

При химико-термической обработке происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (С, N, Al, Cr, Si и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Химико-термическая обработка включает три последовательные стадии:

1) диссоциацию – образование активных атомов в насыщающей среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла;

2) адсорбцию образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. При этом происходит поглощение, прилипание активных атомов из газообразной или жидкой фазы поверхностным слоем твердого тела;

3) диффузию – перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия). Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

Слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружающей активной среды, называют сердцевиной.

В зависимости от диффундирующего насыщающего поверхность элемента различают несколько видов ХТО.

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше 930…950°С (см. рис. 4.3, точки Ас₃), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Цель цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (содержащие 0,1…0,18% С), чаще легированные стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2…0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50 – 100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20 – 40 мкм), которую наносят электрическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее до 500…650°С в аммиаке. Азотирование повышает твердость поверхностного слоя детали, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в атмосфере, воде, паре и т.д. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до высоких температур (450…550°С). Азотированный слой сам без какой-либо последующей термической обработки приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало. Поэтому в отличие от цементации азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точного размера.

Азотирование обычно проводят при 500…600°С. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали. В реторту из баллона поступает с определенной скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует), и образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

В системе Fe—N возможно образование следующих фаз:

· -азотистого феррита, содержащего в растворе 0,1 % N при 591°С и 0,01 % N при комнатной температуре;

· -азотистого аустенита, существующего как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры (591°С);

· -нитрида Fе₄N фазы внедрения, имеющей решетку гранеценрированного куба;

· ε-нитрида Fe2N, тоже фазы внедрения с весьма широкой областью гомогенности, имеющая гексагональную решетку.

Износостойкость азотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600…800 МПа. Это повышает предел выносливости стали  и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Азотирование повышает сопротивление стали кавитационной эрозии.

Значительное сокращение (в 2 – 3 раза) общего времени процесса достигается при азотировании в тлеющем разряде (ионном азотировании), которое проводят в разреженной азотсодержащей атмосфере (NH₃ или N₂), при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду – катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и положительные ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии:

· первая – очистка поверхности катодным распылением;

· вторая – собственно насыщение.

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840…860°С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4…10ч. Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных деталей.

Установлено, что при одновременной диффузии углерода и азота ускоряется диффузия углерода. Скорость роста нитроцементованного и цементованного слоев на глубину 500 мкм практически одинакова, хотя температура нитроцементации почти на 100°С ниже.

После нитроцементации следует закалка непосредственно из печи, реже после повторного нагрева, применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 – 180°С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементованного слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбо-нитридов и 25…30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет HRC 58 – 60, HV 570…690 (5700…6900 МПа). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость, например, нешлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумную работу. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементованного слоя углерода и азота.

Толщина нитроцементованного слоя составляет обычно 200…800 мкм. Она не должна превышать 1000 мкм. При большей толщине нитроцементованного слоя в нем образуется темная составляющая и другие дефекты, снижающие механические свойства стали.

Нитроцементации обычно подвергают детали сложной конфигурации, склонные к короблению. Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с газовой цементацией:

· процесс происходит при более низкой температуре (840…860°С вместо 910…930°С);

· толщина слоя меньше;

· получаются меньшие деформации и коробление деталей;

· повышается сопротивление износу и коррозии.