Под химико-термической обработкой понимают обработку металлов при высоких температурах в химически активной среде – твёрдой, газовой или жидкой. При этом изменяется химический состав, структура и свойства поверхностного слоя: твёрдость, износостойкость, усталостная прочность, эрозионная стойкость, красностойкость и др. Виды химико-термической обработки классифицируют по элементам, которыми насыщают поверхностный слой. Чаще всего применяют насыщение поверхностного слоя стали углеродом – цементацию, азотом – азотирование. Рассмотрим некоторые виды химико-термической обработки.

1. Цементация

Цель цементации – получение твёрдой, износостойкой поверхности. Изделия из стали после диффузионного насыщения поверхностного слоя углеродом подвергают отжигу или нормализации для измельчения зерна с последующей закалкой и низким отпуском. Цементации обычно подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием 0,1–0,25 % С. Выбор низкоуглеродистых сталей обусловлен тем, что сердцевина детали, не насыщающаяся углеродом при цементации, после закалки сохраняет высокую вязкость. Цементации может подвергаться только часть детали. Для этого не подлежащие упрочнению участки защищают специальной огнеупорной обмазкой или тонким слоем меди, которую наносят электролитическим способом.

Процесс цементации проводят, как правило, при температурах выше точки Ас₃, т. е.
в области аустенита, растворяющего углерод в больших количествах. Концентрация углерода в цементованном слое убывает по глубине детали. Поэтому в его структуре после медленного охлаждения можно различить три зоны: заэвтектоидную (перлит + вторичный цементит), эвтектоидную (перлит) и доэвтектоидную (перлит + феррит). Цементацию обычно проводят в твёрдых или газовых средах – карбюризаторах, реже – в жидких.
В первом варианте насыщающей средой является дубовый или березовый уголь с добавками активизаторов – углекислого бария BaCO₃ и кальцинированной соды Na₂CO₃ в количестве 10–40 % от массы угля. Цементацию осуществляют в плотно закупоренных стальных, реже чугунных, цементационных ящиках. Содержащийся в них кислород воздуха, взаимодействуя с углеродом карбюризатора, образует оксид СО:

2С + О₂ > 2СО.

Оксид СО, соприкасаясь с поверхностью стальных изделий (т. е. в присутствии железа), распадается с выделением атомарного углерода:

2СО > СО₂ + Сатом.

Атомарный углерод диффундирует в аустенит, а диоксид СО₂ окисляет углерод древесного угля:

С + СО₂ > 2СО,

и процесс повторяется.

Углекислые соли способствуют обогащению карбюризатора оксидом углерода и активизируют процесс по реакциям:

МеСО₃ > МеО + СО₂;

С + СО₂ > 2СО.

Газовую цементацию осуществляют в газовой среде, содержащей метан CH₄ и оксид СО, которые диссоциируют с образованием атомарного углерода:

2СО > СО₂ + Сатом;

СН₄ > 2Н₂ + Сатом.

Газовую цементацию чаще всего осуществляют в шахтных печах периодического действия или в безмуфельных печах, действующих непрерывно.

Процессы цементации – и газовой и твёрдым карбюризатором – ведут при 900–950 ^oС. В зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя продолжительность процесса составляет обычно 8–12 ч. Для повышения твёрдости науглероженные изделия подвергают закалке на мартенсит и низкотемпературному отпуску при 160–180 ^oС.

По сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе процесс газовой цементации является более совершенным и производительным по ряду параметров. Например, закалку можно производить непосредственно из цементационной печи с предварительным подстуживанием, для уменьшения коробления, до 800–860 ^oС*, в то время как при цементации твёрдым карбюризатором требуется охлаждение цементационных ящиков на воздухе до 400–450 ^oС и извлечение из них изделий. Цементацию в жидкой среде – в расплаве кальцинированной соды и поваренной соли с добавкой 6–10 % карборунда (температура 880–900 ^oС) – применяют сравнительно редко.