Тема 10. химико-термическая обработка сплавов

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износоустойчивости, сопротивлению усталости и контактной выносливости, для защиты деталей от электрохимической и газовой коррозии.

Различают 3 стадии процесса химико-термической обработки:

1. Протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоянии.
2. Диффундирующие элементы усваиваются насыщаемой поверхностью металла – происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов, возникает градиент концентрации – движущая сила для третьей стадии процесса.
3. Диффузионное проникновение элемента вглубь насыщаемого металла, который сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Фазовые и структурные изменения, происходящие на диффузионной стадии процесса можно предсказать с помощью двойных диаграмм состояния.

Диффузионное насыщение стальных деталей

Углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стальных деталей углеродом и азотом (и одновременно C и N) – наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют на значительную толщину.

Цементация стали – технологический процесс диффузионного насыщения углеродом. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали равна 0,8-1,0%, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами, хорошо сопротивляется износу, твердость поверхности – 750-950 HV. Сердцевина детали, содержащая 0,08-0,25% углерода остается вязкой.

Исходную среду для цементации принято называть карбюризатором. Древесный уголь с 20-25% BaCO₃ и 3-5% CaCO₃ – твердый карбюризатор. Разбавленный природный газ метан – газовый карбюризатор.

Азотирование стали – технологический процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычно азотирование проводят при температурах 500-600^оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускают диссоциирующий аммиак.

При азотировании углеродистых сталей с увеличением концентрации углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.

Азотированная сталь коррозионностойка в воде и атмосферных условиях. Твердость ее невысока – 450-550HV. Значительно большая твердость достигается при азотировании специальных легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Cr, Mo, Al, V, Ti.

Процесс азотирования – длительная операция. Диффузионную зону около 0,5 мм получают при 500-520^оС за 55 часов выдержки (сталь38Х2МЮА).

По сравнению с цементованными, азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Но используют его реже из-за длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность деталей.

Насыщение поверхности стали одновременно углеродом и азотом – такой процесс называется нитроцементацией. Исходная среда – смесь цементирующего газа с 3-5% NH₃. В диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют в автомобилестроении для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.