Химико-термическая обработка сталей и ее назначение. Основные методы насыщения и стадии хто.
Химико термическая обработка (ХТО)
ХТО сочетает термическое и химическое воздействие с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла или сплава. ХТО осуществляется в результате диффузионного насыщения сплавов неметаллами - углеродом, азотом, бором, или металлами – алюминий, хром, при определённой температуре в активной среде.
Основные параметры процесса насыщения:
Температура
Время выдержки
Характер насыщающей среды
Для повышения долговечности наиболее ответственных деталей машин используются процессы цементации (науглероживания), нитро цементации (насыщения углеродом и азотом одновременно), азотирования (насыщение азотом), борирования. Эти процессы применяют для деталей авто, тракторов, станков и так далее с целью упрочнения их поверхности, так как большинство деталей машин работают в условиях износа, то есть циклических нагрузок, коррозий, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностном слое металла.
Основные метода насыщения, применяемые при ХТО
1. Насыщение из порошковых смесей. Насыщаемая среда – твёрдые частицы небольшого размера. Технология данного метода простая. Применяется этот метод в мелкосерийном производстве для проведения цементации, алитирования (алюминием), хромирования и для многокомпонентного насыщения металлами.
2. Прямоточный диффузионный метод насыщения из газовых сред. Главный компонент – природный газ. Данный метод позволяет регулировать состав (активность) насыщающей среды. Широко применяется в крупносерийном производстве для цементации, нитро цементации и азотирования. Газовый метод обеспечивает высокое качество диффузионного слоя обрабатываемых деталей.
3. Диффузионное насыщение из расплавов металлов или солей металлов содержащих диффундирующий (насыщающий) элемент (с электролизом или без него). Диффузионное насыщение алюминием иногда производится из расплава алюминия. Иногда одновременное насыщение углеродом и азотом производят в расплавах цианистых (NaCN) солей. Борирование с электролизом – используется для пальцев, объединяющие ячейки гусениц.
4. Диффузионное насыщение из паст. Применяется для местного упрочнения поверхности, при обработки крупногабаритных деталей. Этот метод не всегда обеспечивает получения равномерной толщины слоя и высокого его качества.
Выбор способа насыщения производят в соответствии с видом производства детали, габаритов обрабатываемых изделий, требуемой толщиной слоя и требуемыми механическими свойствами детали.
ХТО включает три основные взаимосвязанные стадии:
1. Реакции в насыщающей среде. На данной стадии происходит 2 процесса: образование активных атомов в насыщающей среде и их диффузия к поверхности обрабатываемых деталей.
2. Реакция на границе фаз. Здесь будет происходить адсорбция – поглощение образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. При адсорбции происходит взаимодействие между атомами насыщающего элемента и обрабатываемой поверхности.
3
.
Диффузия – перемещение адсорбированных
атомов от поверхности вглубь деталей.
По мере накопления атомов диффундирующего
элемента на поверхности насыщения
возникает диффузионный поток от
поверхности вглубь обрабатываемого
металла. Этот процесс возможен при
условии растворимости диффундирующего
элемента в обрабатываемом сплаве и
достаточно высокой температуре.
При ХТО скорость процесса насыщения определяется скоростью диффузии и все факторы, влияющие на скорость диффузии будут ускорять процесс насыщения и сокращать длительность (время насыщения). Факторы: температура, градиент концентрации, структурные дефекты, кристаллические решётки растворителя и диффундирующего элемента, состав сплавов и среды для насыщения.
В результате всех перечисленных процессов, особенно развития процесса диффузии, происходит образование диффузионного слоя, который отличается от исходного по химическому составу.
Рассмотрим график насыщения стали углеродом. Х0 – общая толщина диффузионного слоя, и отличается от исходного состава по содержанию насыщающего элемента. От х0 и далее, где концентрация сплава постоянна и соответствует исходной концентрации, называется сердцевиной. Т.е. в результате диффузии соответствующего элемента (углерод), образуется поверхностный слой, в котором концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности к сердцевине.
Изменение состава поверхностного слоя приводит к изменению его структуры и свойств. Часто в качестве контрольного параметра используется не общая толщина слоя, а, так называемая, «эффективная толщина слоя», которая определяется установленным значением базового параметра. В качестве базового параметра может быть принята концентрация диффундирующего элемента, твёрдость или структура.