9.Химико-термическая обработка сталей.

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.

9.1.Общие положения.

Многие детали машин (валы, шестерни, кулачки и другие) выходят из строя из-за изнашивания их поверхности или из-за разрушения вследствие циклического действия нагрузки, которое также начинается в поверхностных слоях деталей. Поэтому для повышения долговечности и конструктивной прочности таких деталей необходимо повышать прочность поверхности при сохранении более вязкой сердцевины. Одним из методов поверхностного упрочнения стальных деталей является химико-термическая обработка. Химико-термическая обработка (ХТО) представляет собой сочетание теплового воздействия на стальные детали с химическим. Она состоит в нагреве деталей до заданной температуры в активной, насыщенной среде: жидкой, твердой и газообразной - в результате чего изменяется состав и структура поверхностного слоя. Во время выдержки поверхность насыщается каким-либо элементом из внешней среды или обедняется им. В зависимости от того, каким элементом насыщают поверхностный слой изделия различают: цементацию (насыщение углеродом), азотирование (насыщение азотом), диффузную металлизацию (насыщение хромом, алюминием или другими элементами). Цели ХТО могут быть различные: повышение износостойкости и усталостной прочности, повышение сопротивлению коррозии и др. Для осуществления химико-термической обработки необходимо выполнение следующих условий: наличие во внешней среде насыщающего элемента активном, атомарном состоянии; растворимость насыщающего элемента в основном металле; достаточно высокая температура процесса ХТО, чтобы обеспечить большую диффузионную подвижность атомов. Любой процесс ХТО состоит из трех элементарных процессов:

1. Получение диффундированного элемента в активном, атомарном состоянии благодаря реакциям диссоциации, которые протекают во внешней среде:

2NH₃ →ЗН2 +2N(aтом).

2СО→С0₂ +С(атом).

2. Контактирование атомов диффундирующего элемента в основном металле с поверхностью стального изделия (адсорбция) и проникновение (растворение) их в решетку основного металла, железа (абсорбция);

3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь основного металла. Скорость диффузии зависит от коэффициента диффузии D, который в свою очередь определяется температурой процесса (рис.75)

D=D_o *e^Q\RT

где D - коэффициент диффузии, т.е. количество вещества , которое продиффундировало в единицу времени (1сек), через единицу площади (1см²) при градиенте концентрации, равном единице ( см²/сек.),Q - энергия активации диффузии, т.е. энергия, необходимая для осуществления перехода атома из одного положения равновесия в другое( кал/г*ат или дж/г*атм),D_o - постоянный множитель, который зависит от природы диффундирующего элемента и основного металла и не зависит от температуры.

Величина D существенно зависит от состава и строения, образующихся фаз. При образовании твердого раствора внедрения углерода или азота в железе коэффициент диффузии значительно больше, чем у металлов (Сг, А1, В, Мn), образующих с железом твердые растворы замещения.

Оптимальные условия химико-термической обработки такие, когда одинаковы скорости этих трех элементарных процессов:

Vдис=Vаб=Vдиф. В противном случае, если Vдиф. >Vаб. >Vдиф aтомы диффундирующего вещества не будут полностью охватываться поверхностью, поэтому на поверхности может образовываться избыток диффундирующего элемента (выделение сажи при цементации, выделение элемента в аморфном состоянии при диффузионной металлизации).

Если Vдис. < Vаб. = Vдиф. ,то будет не хватать активных атомов диффундирующего вещества, и слой получится бедным по содержанию элемента.

Если Vдис. = Vаб. > Vдиф., то глубина слоя будет небольшая, но с высокой концентрацией насыщающего элемента.

Если Vдис. = Va6. < Vдиф, то получим большой слой, но низкой концентрации. Адсорбция протекает очень быстро, а диффузия, обычно, существенно отстает. Поэтому глубина зоны диффузионного насыщения будет зависеть от скорости диффузии, а следовательно, от температуры (рис.9.1,б) и длительности процесса (рис.9.1,а), от концентрации диффундирующего элемента на поверхности. Последнее определяется активностью насыщающей среды (рис.9.1,в).

Строение диффузионного слоя можно предсказать по диаграмме состояния основной металл- диффундирующий элемент.

При температуре Т в системе Fe - диффундирующий элемент диффузия идет в решетке фазы, концентрация диффундирующего элемента в которой постепенно уменьшается от максимальной на поверхности до нуля на некоторой глубине.

Схема диаграммы состояния железо-диффундирующий элемент, кривые изменения концентрации диффундирующего элемента по толщине диффузионного слоя приведена на рис. 9.2 . При температуре t₂ насыщение поверхности сопровождается фазовой перекристаллизацией. Сначала идет диффузия в γ-фазе вплоть до предельной концентрации точки "а" на поверхности. Дальнейшее поступление диффундирующего элемента создает условия для образования зародышей α фазы на поверхности за счет флуктуации концентрации в насыщенной γ - фазе. Рост зародышей α- фазы вдоль поверхности осуществляется быстрее, чем в глубь металла, поэтому вся поверхность покрывается тонким слоем α фазы состава точки "в"

По мере протекания диффузионного процесса концентрация в α- фазе изменяется от точки "б", от поверхности по направлению диффузии, растут столбчатые кристаллы.

Двухфазные слои (α + γ ) при t₂ образовываться не могут в двухкомпонентной системе, на границе раздела α и γ фаз устанавливается перепад концентрации „а-в", а в структуре проявляется пограничная диффузионная линия, до которой и определяется чаще всего глубина диффузионного слоя.

Наиболее широкое практическое применение нашли процессы химико-термической обработки; цементация, азотирование, планирование.