9. 1. Общие сведения о химико-термической обработке

9.1. Общие сведения о химико-термической обработке

Химико-термической обработкой называют диффузионное насыщение поверхностных слоёв стали различными элементами. Совместное действие температуры и активной внешней среды позволяет изменить химический состав поверхностных слоёв металла.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твёрдости, износостойкости, сопротивления усталости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Химико-термическая обработка обычно сочетается с термической обработкой и либо предшествует, либо следует за ней.

Основными преимуществами химико-термической обработки являются возможность сравнительно легко регулировать качество поверхностного слоя и создавать значительный градиент свойств от поверхности к сердцевине, а также получать упрочнённые слои весьма малой толщины.

Недостатком этого вида обработки является значительная длительность процесса, а, следовательно, и большая себестоимость упрочнения.

Химико-термическая обработка может производиться в твёрдых, жидких и газообразных средах, богатых теми элементами, которыми насыщаются поверхности стали.

Обязательным условием процесса является выделение необходимых элементов в атомарном виде, когда они приобретают достаточную химическую активность и способность диффундировать в поверхностные слои металла.

Процесс химико-термической обработки состоит из трёх элементарных стадий:

1) диссоциации (распада) активной среды
2) адсорбции активных атомов элемента на поверхности стали
3) диффузии адсорбированных атомов в глубь металла.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых диффундирующие элементы выделяются в химически активном атомарном состоянии.

На второй стадии процесса эти атомы усваиваются насыщаемой поверхностью металла, т.е. происходит адсорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом.

На третьей стадии имеет место диффузионное проникновение выделившихся атомов элемента в кристаллическую решётку стали, которое сопровождается образованием твёрдых растворов или химических соединений.

Первая и вторая стадии процесса химико-термической обработки протекает значительно быстрее третьей – диффузионной стадии, где формируется структура и свойства диффузионной зоны. Поэтому скорость химико-термической обработки определяет третья стадия.

Основными технологическими факторами, определяющими скорость диссоциации, толщину диффузионного слоя и концентрацию насыщающего элемента являются состав активной среды, температура и время выдержки. Контроль результатов химико-термической обработки производится обычно путём измерения твёрдости поверхностных слоёв, что может служить качественной характеристикой степени насыщения. Глубину диффузионного слоя можно определить визуально по виду излома специальных образцов (свидетелей), проходящих обработку совместно с деталями.

Наиболее распространёнными операциями химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, нитроцементация или цианирование и диффузионная металлизация.

Что такое химико термическая обработка

Цементация может проводиться в твердых, газообразных и жидких углеродсодержащих средах, которые называются карбюризаторами. Нагрев осуществляют в среде, легко отдающей углерод.

Цементация в твердой среде

Наиболее старым способом является цементация в твердой среде. Детали укладываются в стальной ящик, должны быть полностью покрыты карбюризатором(уголь) и не касаться друг друга и стенок ящика. Ящик герметично закрывается и загружается в печь. При нагреве образуется окись углерода (CO), которая в свою очередь разлагается на углекислый газ (СО₂) и атомарный углерод. Так как детали нагреты до температуры выше критической точки Ас₃, атомарный углерод проникает вовнутрь мягкого железа.

Режимы обработки: 900-950 градусов, 1 час выдержки на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

В последнее время нашла широкое применение цементация газами. Детали загружают в печи в которые вводят цементующие газы (окись углерода и метан). При нагреве газ разлагается, образуя атомарный углерод. Продолжительность процесса газовой цементации меньше, чем цементации твердым карбюризатором, так как нагрев и охлаждение производятся с большими скоростями, чем это можно осуществить в цементационных ящиках. Кроме этого, газовая цементация имеет ряд других преимуществ: возможность точного регулирования процесса цементации путем изменения состава цементующего газа, отсутствие громоздкого оборудования и угольной пыли и возможность производить закалку непосредственно из печи. Процесс газовой цементации более экономичен

Какие материалы подвергаются цементации?

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %) или легированные низкоуглеродистые стали марок: 20Г, 20Х, 20ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР и др. Данной обработке подвергают такие детали машин и аппаратов, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину, такие как: зубчатые колеса, коленчатые валы, кулачки, червяки, поршневых пальцев, отвалов плугов и др.

Свойства металла после обработки.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость (50..58HRC) и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом, с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости.

Азотирование проводится при 500—600 °С в герметично закрытом контейнере из железа, который внедряется в печь. Его разогревают до температуры соответствующей выбранному режиму, и выдерживается необходимое время. В контейнер закладывают детали, которые будут подвержены азотированию.

Туда же под определенным давлением запускается аммиак, который под действием высоких температур диссоциирует на водород и атомарный азот, который в свою очередь проникает в поверхностный слой мягкого металла, образуя нитриды с элементами, входящими в состав стали, алюминием, хромом, молибденом. Они имеют высокую твердость. По окончании процедуры печь плавно охлаждается вместе с потоком аммиака.

Толщина нитридного слоя может варьировать от 0,3 до 0,6 мм. Таким образом, отпадает надобность в последующей термической обработке с целью повышения прочностных характеристик.

Нитриды железа обладают сравнительно невысокой твердостью и незначительно повышают ее в стали. Следовательно, для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, хром и молибден, такие как 38ХМЮА, 18Х2Н4ВА и др.

Азотированию подвергают также детали из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах; матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей для литья под давлением (Х12Ф1, ЗХ2В8Ф и др.); пружины из сталей 50ХФА, 60С2. Для азотирования целесообразно применять стали, содержащие титан.

Если азотирование проводится с целью повышения коррозионностойкости, то этому процессу подвергаются также и углеродистые стали.

Упрочняющая термическая обработка: закалка и старение.

Упрочняющая термическая обработка: закалка и старение.

Упрочняющей термической обработкой или термическим упрочнением называются технологические операции, в результате которых в сплавах достигается уровень прочности, повышенный со сравнению с отожженным (или нормализованным) состоянием.

Термин «термическое упрочнение» применяют к обработке, которая включает два этапа: закалку и старение или закалку и отпуск.

Закалка – операция термической обработки, которая заключается в нагреве сплавов в высокотемпературную область твердых растворов и охлаждении с высокой скоростью, предотвращающей равновесные фазовые превращения. В зависимости от диаграммы состояния, т.е. от фазовых превращений, характерных для данной системы легирования, результатом закалки является неравновесная фаза:

– пересыщенный твердый раствор («закалка на пересыщенный твердый раствор»);

– мартенсит – твёрдый раствор, получаемый в полиморфных сплавах, который может быть как пересыщенным, так и непересыщенным («закалка на мартенсит»).

Вторым этапом термического упрочнения, создающим метастабильное состояние, являются такие операции какстарение

или
отпуск.
Старение или отпуск – операции термической обработки, которые заключаются в нагреве ниже температур закалки с последующим произвольным охлаждением. При старении или отпуске формируется то структурно-фазовое состояние, которое и определяет конечный комплекс механических свойств материала (детали).

Термическое упрочнение широко применяется для ответственных деталей, изготавливаемых из углеродистых и легированных сталей, а также для сплавов на основе цветных металлов: никелевым, алюминиевым, магниевым, титановым, медным и др.

Упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки со старением, применяют к сплавам, в которых возможно при быстрой закалке получить пересыщенный легирующим элементом твёрдый раствор. Это сплавы на основе цветных металлов: алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, а также высоколегированные мартенситостареющие стали и титановые сплавы.

Рис. 2.26. Схема изменения твердости стареющих сплавов в зависимости

от температуры (а) и времени (б) старения: t 1 ‹ t 2 ‹ t 3 ; о – максимум твёрдости;

А – область недостаривания; В – область перестаривания

При старении в сплавах образуются высокодисперсные частицы промежуточных фаз. Эти частицы существенно тормозят перемещение дислокаций в сплавах, что и обеспечивает повышенную прочность. При этом, варьируя температуру и время старения, можно получить различное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости (рис. 2.26).

Закалка и отпуск сталей.

Цель закалки и отпуска – двухэтапной термообработкисостоит вобе­спечении повышенной прочности (по сравнению с отжигом и нормализацией) и необходимого комплекса механических свойств.

Закалка с отпуском используется для широкой номенклатуры углеродистых и легированных машиностроительных и инструментальных сталей. Эти стали относятся к диаграммам состояния «железо — углерод» или «железо — углерод — легирующий элемент».

Закалка сталей на мартенсит.

Закалка сталей — сплавов на основеполиморфного металла – этооперация термической обработки, заключающаяся в нагреве в однофазную аустенитную область (иногда в двухфазные области), и быстром охлаждении со скоростью, предотвращающей распад аустенита по диффузионному механизму.

Цель закалки – получение мартенсита, как самостоятельной фазы, так и сочетании с аустенитом, трооститом или цементитом. Полученное структурно — фазовое состояние является подготовительным этапом для проведения последующего отпуска.

В углеродистых сталях неравновесная фаза мартенсит как результат сдвигового превращения одновременно является: твердым раствор внедрения; твердым раствором внедрения, пересыщенным по отношению к равновесному содержанию углерода в феррите при комнатной температуре – 0,006 %;

Кристаллическая решетка мартенсита – тетрагональная объемноцентрированная существенно отличается от исходной решетки аустенита (ГЦК). Тетрагональность решетки (отношение осей с/а) увеличивается с повышением содержания углерода.

Вследствие большой разницы в удельных объемах аустенита и образующегося из него мартенсита (около 3 %), результатом превращения является значительный фазовый наклеп. Фазовый наклеп – пластическая деформация, реализующаяся внутри зерна, которая осуществляется не внешним воздействием, а только за счет фазового превращения.

Значительная разница в удельных объемах аустенита и мартенсита углеродистых сталей (около 3 %) создает не только пластическую деформацию внутри зерен твердого раствора, но и упругую деформацию в объеме детали. К этому добавляются и термические напряжения. В результате резкого охлаждения при закалке детали с мартенситной структурой склонны к «короблению» («поводке») – неравномерному изменению формы и размеров, которые тем больше, чем сложнее форма детали. Это является главным недостатком закалки углеродистых сталей.

В ряде углеродистых и легированных сталей при закалке из аустенитной области возможно протекание бейнитного

превращения (рис. 2.26, область А → Б).

Полученная в результате бейнитного превращения двухфазная структура (α + Ц) не называется перлитом, потому что получена не при эвтектоидном превращении. Кроме того, частицы карбида не имеет пластинчатого строения; при этом они очень дисперсны.

По дисперсности, расположению карбидов и структуре α — фазы различают верхний и нижний

бейнит. Наилучшими свойствами обладает нижний бейнит, образующийся при температурах ниже 350ºС. Дисперсные частицы карбида расположены внутри зерен феррита. Такая структура обеспечивает сочетание высокой прочности, пластичности и ударной вязкости.

Изотермическая закалка, использующая бейнитное превращение, широко применяется для деталей из легированных сталей, обеспечивая им высокую конструкционную прочность.

Технология закалки.

Температуру закалки выбирают по отношению к критическим точкам (линиям) на диаграмме состояния – Ас1, Ас3, Асm. Закалка от температур выше Ас3 и Асm, называется полной закалкой, а закалка от температур в интервале Ас1 – Ас3 или Ас1 – Асm называется неполной закалкой.

К сталям доэвтектоидным применяют полную закалку, т.е. из аустенитной области. от температур выше Ас3 на 30 — 50ºС; к сталям заэвтектоидным применяют неполную закалку, т.е. из области «аустенит + цементит», от температур на 30 — 50ºС выше Ас1 .

Скорость охлаждения при закалке для получения мартенсита выбирают в соответствии с термокинетической диаграммой (ТКД) распада переохлажденного аустенита. Скорость охлаждения при закалке должна исключить какое-либо равновесное превращение. Наименьшая скорость, при которой получается мартенсит называется критической скоростью охлаждения при закалке Vкрит (на рис. 1.33 это скорость V4), поэтому их линии на ТКД должна находится левее начала С — образной кривой распада (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Схема скоростей охлаждения из аустенитной области, дающих в центре

образца( V

ц ), перлитную структуру на поверхности(
V
п ) – мартенситную

Критическая скорость охлаждения сталей (Vкрит) – минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит.

Для мартенситного превращения характерен определённый температурный интервал превращения:

существуют температуры начала и конца превращения: Мн и Мк находящиеся ниже выступа С-образной кривой диффузионного распада (рис. 2.27).

Прокаливаемость – одна из важнейших технологических характеристик при термической обработке стали.

Прокаливаемость

определяется темпом, с какой температура во время быстрого охлаждения распространяется по сечению детали конкретного размера с конкретной теплопроводностью. При высокой скорости охлаждения обеспечить мартенситное превращение в интервале температур Мн и Мк, т.е. «прокалить» деталь возможно только при небольших ее размерах. На деталях больших размеров охлаждение с критической скоростью успевает произойти только в приповерхностных слоях. А в глубинных слоях охлаждение происходит с меньшей, чем критическая, скоростью, что приводит к распаду аустенита уже не сдвиговому, в диффузионному механизму. Результатом различия скоростей охлаждения по сечению детали является различие в фазовом составе: в приповерхностном слое — мартенсит, а в центре — феррит + цементит.

Прокаливаемость – это свойство стали приобретать в результете закалки мартенситную или мартенсито — трооститную структуру с высокой твердостью в слое определенного размера. Количественно прокаливаемость характеризуется критическим диаметром.

Критический диаметр – максимальный диаметр детали, при котором в результате закалки получается мартенситная или полумартенситная (50 % мартенсита + 50 % троостита) структура. Критический диаметр обратно пропорционален критической скорости охлаждения:

Для того, чтобы прокалить насквозь детали крупного сечения, их изготавливают их легированных сталей, потому что все легирующие элементы (кроме кобальта) снижают критическую скорость закалки.

Способы закалки разделяются по следующим признакам:

– по среде охлаждения (закалка в воде, в масле, на воздухе, в полимерных средах);

– по объему детали, к которому применяется закалка – объемная и поверхностная;

– по ступенчатости охлаждения (закалка в двух средах, ступенчатая закалка, изотермическая и др.).

Применение различных сред охлажденияпри объёмной закалке определяется критической скоростью охлаждения. Снижение критической скорости охлаждения сталей позволяет переходить к более «мягким» средам: от воды к маслу и далее к воздуху.

Применение объемной или поверхностной закалки диктуется требованиями, предъявляемыми к изделиям. Для большинства деталей применяют объемную закалку, когда мартенситная (мартенситно — трооститная) структура получается по всему сечении.

Поверхностную закалку применяют для деталей, в которых по условиям работы требуется высокая поверхностная твердость, износостойкость, а также высокий предел выносливости.

Применение ступенчатого охлаждения при объёмной закалке вызвано стремлением к снижению того высокого уровня остаточных упругих напряжений, которые характерны для закаленных стальных деталей.

Для ослабления возникающих напряжений, используют различные способы охлаждения (рис. 2.28).

«Тепловые» напряжения снижаются при понижении скорости охлаждения в интервале температур Мн — Мк (закалка в двух средах). Закалку в двух средах осуществляют при погружении детали сначала в воду – для быстрого прохождения температурного интервала минимальной устойчивости аустенита, а затем в масло – для охлаждения с меньшей скоростью в интервале мартенситного превращения.

Рис. 2.28. Схемы различных способов объемной закалки сталей:

Технология упрочнения сталей ТВЧ

Физическая сущность технологии упрочнения сталей ТВЧ

В основе физики процесса термоупрочнения сталей токами высокой частоты лежит принцип индукционного наведения в упрочняемом поверхностном слое стали вихревых токов, так называемых токов Фуко, которые, протекая по проводнику, оттесняются с поверхности за счет скин-эфекта и производят быстрый нагрев поверхностного слоя стали.

Затем нагрев прекращается и происходит отвод тепла вглубь металла. Скорость отвода тепла, то есть скорость охлаждения может превысить скорость закалки на мартенсит

Наиболее часто поверхностной закалке подвергают детали, изготовленные из стали с содержанием углерода 0,4-0,5%. Эти стали после закалки имеют поверхностную твердость HRC55-60. При меньшем содержании углерода такая твердость уже не достигается, а при большем — возникает опасность появления трещин в условиях резкого охлаждения водяным спреем.

Преимущества технологии упрочнения сталей ТВЧ

Преимущества закалки ТВЧ по сравнению с объемной печной закалкой и химико-термической обработкой:

• высокая производительность;
• высокая скорость нагрева и отсутствие выдержки в аустенитной области позволяет получить более высокую дисперсность структуры закаленного поверхностного слоя;
• повышение предела выносливости: в два-три раза по сравнению с объемной (печной) закалкой;
• сокращение машинного времени термообработки;
• почти полное отсутствие окалины закаленной поверхности;
• уменьшение коробления при закалке;
• возможность полной механизации и автоматизации процесса (включения его в поточную линию обработки, без разрыва техно­логического цикла).

Недостатки технологии упрочнения сталей ТВЧ

Как и любая технология упрочнения, индукционная закалка кроме преимуществ имеет определенные ограничения и недостатки:

Физические основы химико-термической обработки

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Цементация. Механизм образования и строение цементованного слоя.

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950° С.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита (h = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Структура цементованного слоя представлена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Структура цементованного слоя

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

Цементация в твердом карбюризаторе.

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950° С.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

· значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

· низкая производительность процесса;

· сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.

Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

· возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

· сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

· возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

Термическая обработка после цементации. Свойства цементованных деталей.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

Графики различных комплексов термической обработки представлены на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Режимы термической обработки цементованных изделий

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850°С (рис. 11.2 б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 11.2 а).

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 11.2 в).

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900°С для исправления структуры сердцевины.

Вторая закалка проводится с температуры 760…780°С для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180°С. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

Азотирование стали, его применение. Механизм образования и строение азотированного слоя. Стали для азотирования. Технология газового азотирования стали. Свойства азотированного слоя. Области применения азотирования.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.

Впервые азотирование осуществил Чижевский И.П., промышленное применение – в двадцатые годы.

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH₃ c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH₃→2N+3H₂. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

· для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

· для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

В первом случае процесс проводят при температуре 500…560°С в течение 24…90 часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700 o С, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой ε — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии (ε–фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe₃N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

Цианирование (нитроцементация) стали.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950° С, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe₂(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600° С, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950° С, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.

На ВАЗе 95 % деталей подвергаются нитроцементации.

Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570 o С, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Силицирование. Борирование. Диффузионная металлизация (алитирование, хромирование).

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH₄Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL₂ образуется соединение хлора с металлом (AlCl₃, CrCl₂, SiCl₄), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200°С) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200° С изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB₂) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

Что такое химико термическая обработка

Уральский государственный лесотехнический университет

Кафедра технологии металлов

Блюм Э.Э., Потехин Б.А., Резников В.Г.

Основы термической обработки сталей
(конспект лекций)
для самостоятельной работы студентов очного и заочного факультетов

1. Превращения при нагреве и охлаждении стали

1.1. Кристаллическое строение металлов

Металлы и сплавы тела кристаллические — атомы в них расположены в определенном порядке в пространстве. Порядок в расположении атомов в пространстве называют кристаллической решеткой .

В чистых металлах, т.е. при наличии атомов одного элемента, возможно 14 вариантов расположения атомов. Это обусловлено тем, что в кристалле каждый атом должен иметь одинаковое количество атомов-соседей, расположенных от него на одинаковом расстоянии.

В химических соединениях, т.е. при наличии атомов различных элементов, число возможных комбинаций в расположении атомов (типов решеток) становится бесконечно большим. Подавляющее большинство металлов и сплавов имеют сравнительно простые кристаллические решетки (см. рис. 1)

Наибольший интерес представляет строение железа и его сплавов (стали и чугуны)

Железо ниже температуры 911 0 С имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку (ОЦК) и называется a Fe . Такое же строение могут иметь некоторые другие металлы ( Ti , V , W , Mo , Cr , Mn ).

При температурах 911-1390 0 С железо имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку (ГЦК) и называется g Fe . Такая же решетка имеется у некоторых других металлов ( Cu , Al , Pb ).

Кратчайшее расстояние между центрами атомов в кристаллической решетке называется параметром решетки (а). Параметры измеряют в ангетремах (А) или килоиксах (КХ)

Параметры решетки соизмеримы с радиусом атомов. Например, у a Fe а=2,8608А, R ат =1,26А,у g Fe а=3,649А, R ат =1,29А

1.2. Аллотропия металлов

Аллотропия — способность некоторых металлов изменять тип кристаллической решетки при изменении внешних условий (температуры и давления). Обычно каждый тип решетки устойчив в определенном интервале температур, но в некоторых случаях, например при быстром охлаждении может одновременно существовать несколько типов решеток. Различные модификации (типы решеток) одного и того же металла обозначают греческими буквами: a , b , g , d и т.д. Буквой обозначается самая низкотемпературная модификация.

Например, при нагреве железа происходят следующие превращения:

a Fe ® b Fe ® g Fe ® d Fe ® Ж

магнитно не магнитны

Признаки аллотропического превращения следующие:

1. Изменяется тип кристаллической решетки;

2. Наблюдается тепловой эффект;

3. Свойства изменяются скачком

Таким образом в железе наблюдается два аллотропических превращения (при температурах 911 и 1390 0 ).

С изменением типа кристаллической решетки железа резко изменяется растворимость в нем углерода. Так максимальная растворимость углерода в a Fe 0,02% (при t =723 0 ), а в g Fe 2,14% (при t =1130 0 ). Это черезвычайно важно для понимания процессов происходящих при термической обработке стали.

Аллотропия наблюдается в ряде металлов ( Sn , Ti , Ni , Mn , Cr и др.).

1.3. Строение металлических сплавов

Химические элементы из которых состоит сплав называют компонентами. При взаимодействии компонентов в сплавах образуются фазы. Фаза — однородная часть сплава отделенная от других поверхностью раздела. При изучении процессов, происходящих при нагреве и охлаждении сплавов, используются диаграммы состояния, которые строят опытным путем. Диаграммой состояния называют график, который показывает фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и химического состава. Следует иметь в виду, что диаграммы состояния построены для условий медленного нагрева или охлаждения.

В сплавах могут быть следующие типы твердых фаз: кристаллы чистых компонентов, кристаллы твердых растворов, кристаллы химических соединений.

Кристаллы чистых компонентов состоят из одинаковых атомов, расположенных в виде кристаллической решетки.

Кристаллы твердых растворов состоят из разноименных атомов, образующих общую кристаллическую решетку, тип которой такой же, как у одного из входящих компонентов. При рассмотрении в микроскоп твердые растворы выглядят, как чистые металлы, т.е. являются однофазными. В отличие от химических соединений твердые растворы существуют не при определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Поэтому они на диаграммах состояния всегда занимают определенные области. Твердые растворы, как правило, имеют невысокую твердость.

В промышленных сплавах наиболее часто встречаются два типа твердых растворов: замещения и внедрения.

В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают в кристаллической решетке места атомов растворителя. Такие твердые растворы могут быть ограниченной и неограниченной растворимости. При неограниченной растворимости любое количество атомов одного компонента может быть заменено атомами другого компонента. Это возможно при выполнении следующих условий: у обоих компонентов одинаковый тип кристаллической решетки, сходное строение валентной электронной оболочки атомов, малое различие в размерах атомов.

Если у двух металлов с одинаковым типом кристаллической решетки диаметры атомов различаются значительно, то растворение второго компонента приводит к сильным искажениям кристаллической решетки. Когда эти искажения достигают определенной величины, решетка становится неустойчивой, что приводит к пределу растворимости.

Твердые растворы замещения всегда образуются между металлами, например, железо с Cr , Mn , Ni , W , Co .

В твердых растворах внедрения атомы растворимого элемента размещаются в междуузельных пространствах кристаллической решетки элемента растворителя. Такие твердые растворы образуются в том случае, когда диаметр атомов растворимого элемента много меньше, чем диаметр атомов элемента растворителя. Поэтому такие твердые растворы образуются между металлами и неметаллами (С,Н,О,N), имеющими малые размеры атомов. Образование таких твердых растворов приводит к некоторому искажению кристаллической решетки и к увеличению параметра решетки. Примером таких твердых растворов в стали служит феррит (твердый раствор внедрения углерода в a Fe ) и аустенит (твердый раствор внедрения углерода в g Fe ).Схемы твердых растворов замещения и внедрения показаны на рис. 2.

Следует, однако, иметь в виду, что в промышленных сплавах, например в сталях, нет в чистом виде твердых растворов замещения и внедрения. Даже простые углеродистые стали представляют собой сложные многокомпонентные сплавы, в которых образуются твердые растворы внедрения на базе твердых растворов замещения.

Химические соединения — такие фазы, которым можно приписать простые стехиометрические формулы. Они имеют обычно сложную кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, тип которой отличается от решеток входящих в них компонентов. Состав химических соединений, в отличие от тверды растворов, постоянный и не изменяется с изменением температуры. Поэтому на диаграммах состояния химические соединения показывают вертикальной прямой линией.

Свойства химических соединений всегда сильно отличаются от свойств входящих в них компонентов.

В сталях наибольший интерес представляет химическое соединение Fe 3 C, обладающее высокой твердостью и хрупкостью.

При рассмотрении сплавов в микроскоп видны структурные составляющие . Структурными составляющими называют участки сплава, которые выглядят одинаково (светлыми, темными, пестрыми). Структурные составляющие выявляют путем травления полированных образцов-шлифов кислотами или другими реактивами. Структурные составляющие могут состоять из одной или нескольких фаз.

Все сплавы в твердом состоянии могут состоять из следующих структурных составляющих:

1. Кристаллов твердых растворов,

2. Кристаллов химических соединений,

3. Механической смеси кристаллов различных типов (кристаллов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений).

При образовании механических смесей особо выделяют однородные механические смеси, которые являются самостоятельными структурными составляющими и при рассмотрении в микроскоп выглядят однородными участками.

Если однородная механическая смесь образовалась при кристаллизации из жидкого состояния, то она называется эвтектикой. Например, при кристаллизации белого чугуна содержащего 4,3%С образуется эвтектика (однородная механическая смесь состоящая из аустенита и цементита), которая имеет специальное название ледебурит .

Если однородная механическая смесь кристаллов образовалась в твердом состоянии, то она называется эвтектоидом . Например, в углеродистой стали содержащей 0,83%С при охлаждении ниже 723 0 аустенит распадается на феррит и цементит. Такая однородная механическая смесь в сталях имеет специальное название — перлит .

1.4. Превращения в стали при нагреве

Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.

При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки.

На рис. 3. Показан фрагмент диаграммы Fe-C, где находятся углеродистые стали. Линии на диаграмме имеют специальные обозначения. Линия А 1 (723 0 ) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А 3 — конец образования аустенита, линия А ст — конец растворения цементита в аустените.

После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.