Раздел 5. Основы теории и технологии термической и химико-термической обработки сталей. Структурно-механические превращения в сталях при нагреве и охлаждении. Лекция №11
Общая характеристика химико-термической обработки стали
Цементация.
Азотирование
Нитроцементация.
Цианирование.
1.Общая характеристика химико-термической обработки стали
Химико-термической обработкой (ХТО) называют поверхностное насыщение стали некоторыми химическими элементами, а именно неметаллами и металлами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем их диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. В ходе данных процессов обязательно изменяется химический состав, микроструктура и свойства поверхностных слоев изделий. При ХТО обрабатываемые детали нагревают в каких-либо химически активных средах. Основные параметры обработки - температура нагрева и продолжительность выдержки. ХТО обычно осуществляется за длительное время. Температуру процесса выбирают конкретно для каждого вида обработки.
Первостепенными процессами любого вида ХТО являются диссоциация, абсорбция и диффузия.
Диссоциация - разложение химического соединения для получения неметаллов в более активном, атомарном состоянии. Абсорбция – поглощение поверхностью детали атомов указанных неметаллов. Диффузия - перемещение абсорбированного элемента в глубь изделия. Скорости всех трех процессов обязательно должны согласовываться друг с другом. Для абсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом с образованием либо твердого раствора, либо химического соединения, так как при отсутствии этого химико-термическая обработка невозможна.
ХТО это стержневой способ поверхностного упрочнения деталей.
Основными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование и диффузионная металлизация.
Скорость диффузии атомов в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующих фаз. При насыщении углеродом или азотом, составляющими с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем в аналогичном процессе металлами, образующими твердые растворы замещения. Поэтому в данном случае используют более высокие температуры и длительное время обработки, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при азотировании и особенно науглероживании.
Насыщение неметаллами позволяет получать наибольшую толщину диффузионного слоя х, рост которой в зависимости от продолжительности процесса при данной температуре обычно выражается параболой (рис. 1).
Рис. 1. Схема зависимости толщины диффузионного слоя х от продолжительности насыщения (а) и температуры (б) в процессе перемещения элементов, образующих твердые растворы: 1 - замещения (Сг, А1, Si и др.); 2 - внедрения (С, N и др.)
Следовательно, с течением времени скорость увеличения размеров слоя непрерывно уменьшается. Чем выше температура и концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, тем она больше за данный отрезок времени.
При определении толщины диффузионного слоя, полученного при насыщении (стали) тем или иным элементом, обычно указывается не полная его величина с измененным составом, а только глубина до определенной твердости или структуры (эффективная толщина).