Тема 6. Хіміко-термічна обробка металів і сплавів

1. Загальні положення хіміко-термічної обробки.

2. Цементація.

3. Азотування.

4. Ціанування.

5. Дифузійне насичення іншими металами і неметалами.

6. Дефекти і брак при термічній обробці.

1. Загальні положення хіміко-термічної обробки

За характером умов експлуатації і навантажень велика кількість деталей різних машин потребують високої міцності і зносостойкості лише для поверхневих шарів. І, навпаки, глибинні шари повинні зберігати достатньо високу в'язкість, особливо при динамічному характері навантажень. Разом з тим, велика група конструкційних низьковуглецевих сталей не може використовуватись для виготовлення таких деталей з причин неможливості застосування для них зміцнюючої термообробки. Одним із засобів одержання твердої і міцної поверхні деталей при утриманні в'язкої і пластичної серцевини є хіміко-термічна обробка

Суть процесів хіміко-термічної обробки полягає в насиченні поверхневих шарів деталей одним або декількома хімічними елементами (металами або неметалами) з метою отримання на поверхні підвищених фізико-механічних властивостей і створення сприятливих умов для подальшої термічної обробки. Процеси хіміко-технічної обробки реалізуються шляхом занурення деталей в середовище, збагачене насичуючими елементами. При певних температурах починаються процеси утворення високої концентрації вільних атомів (іонів) насичуючого елементу на межі з поверхнею деталі. Після утворення хімічних зв'язків між атомами основного металу і насичуючого елементу починається дифузійний процес проникнення елементарних частинок в глибинні шари основного металу. Таким чином, хіміко-термічна обробка може розглядатись як сукупність трьох елементарних етапів :

1. дисоціація молекул у насичуючому середовищі з утворенням високої концентрації насичуючого елементу у вигляді вільних атомів або іонів ;

2. адсорбція атомів на поверхню металу з утворенням хімічних зв'язків між основним металом і насичуємнм елементом (хемосорбція);

3. дифузія адсорбованих атомів в глибину, яка викликається завдяки градієнту концентрації насичуючого елементу між поверхневими і глибинними шарами і тепловому руху елементарних частинок.

Кількість і глибина проникнення дифундуючого елементу залежить від коефіцієнту дифузії і тривалості процесу. Коефіцієнт дифузії визначається за формулою:

, см²/с,

де: D – коефіцієнт дифузії; D₀ – коефіцієнт, який залежить від сил взаємодії атомів в кристалічній решітці; Q – енергія активації процесу дифузії; R – газова стала; Т – абсолютна температура.

Тобто, коефіцієнт дифузії для даної речовини зростає із підвищенням температури. Глибина насичення при постійній температурі і тиску може бути розрахована в залежності від тривалості процесу:

;

де: δ – глибина насиченого шару; k – коефіцієнт, який залежить від умов проведення обробки і визначається експериментально; τ – тривалість процесу хіміко-термічної обробки.

Хіміко-термічну обробку здійснюють за допомогою активних твердих, рідких і газоподібних середовищ.

Найбільше поширення в машинобудуванні мають процеси насичення вуглецем – цементація, азотом – азотування; комплексне насичення вуглецем і азотом – нітроцементація чи ціанування. Застосовують досить широко також споріднені процеси насичення поверхневих шарів металами і неметалами: алюмінієм – алітування, кремнієм – силіцування; бором – борування і т.ін.