4. Общая характеристика процессов химико-термической обработки стали.

Химико-термическая обработка (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.

При химико-термической обработке происходит поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (C,N,Al,Cr,Si и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

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

Химико-термическая обработка включает три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщенной среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла.

2. Адсорбцию (захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии. Различают физическую и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке оба типа адсорбции накладываются один на другой. Физическая адсорбция приводит только к сцеплению адсорбированных атомов насыщенного элемента (адсорбата) с обрабатываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию ванн-дер-вальсовых сил притяжения и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции (десорбция). При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

Если химический потенциал диффундирующего элемента в насыщающей атмосфере выше, чем в обрабатываемом металле, внедряясь в вакантные места решетки в большом количестве имеющиеся на поверхности металла.

3. Диффузию – перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия). Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

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).

5. Основные положения теории азотирования, микроструктура и свойства азотированного слоя.

Азотированием называют процесс насыщения поверхности стали азотом при нагреве в соответствующей среде. Азотирование чаще проводится при 500 – 600⁰С (низкотемпературное азотирование). Азотированию можно подвергнуть любые стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, а также чугунов. Все шире применяется высокотемпературное азотирование (600-1200⁰С) ферритных и аустенитных сталей и тугоплавких металлов (Ti, Mo, Nb, V и др.).В результате азотирования сталь приобретает: высокую твердость на поверхности, не изменяющуюся при нагреве до 400-450⁰С; высокую износостойкость и низкую склонность к задирам; высокий предел выносливости; высокую кавитационную стойкость; хорошую сопротивляемость коррозии в атмосфере, пресной воде и паре.

Впервые процесс азотирования был исследован и практически применен проф. Н. П. Чижевским в 1913 г.

В процессе азотирования обрабатываемые изделия испытывают небольшие деформации. Азотированный слой хорошо шлифуется и полируются.

Назначение азотирования — получить высокую твердость и износостойкость поверхности детали, повысить предел выносливости (прочностное азотирование) или повысить стойкость против коррозии (антикоррозионное азотирование).

При низкотемпературном азотировании (при температуре ниже эвтектоидного превращения в данной системе) независимо от того, в какой среде проводится обработка происходит преимущественное насыщение стали азотом в диффузионном слое образуется только азотистые фазы. Углерод (кислород) влияет лишь на формирование на поверхности нитридной фазы, которая в зависимости от этого может быть карбонитридной или карбоксинитридной.

Диаграмма состояния железо—азот приведена на рис.2. Согласно этой диаграмме в системе железо—азот образуются следующие фазы:

1. α-фаза — твердый раствор азота в а-железе (азотистый феррит), содержащий 0,1 % N при 590° С и 0,004% при температуре 20° С;

2. - твердый раствор на основе нитрида железа Fe₄N  (5,3—5,75% N при 590°С);

3. - твердый раствор на основе нитрида железа Fe₂N (8,25—11% N);

4. у-фаза — твердый раствор азота в у-железе (азотистый аустенит), существует при температуре выше 590° С, максимальная растворимость азота в у-железе 2,8% при 650⁰С, при 590⁰С у-фаза при медленном охлаждении распадается с образованием эвтектоида (2,35%N).

«Рис. 2- диаграмма состояния железо-азот»

В качестве газа, содержащего азот, при азотировании применяют аммиак NH_, который продувают через нагретую печь над деталями. Происходит разложение по реакции

NH₃→3H+N

Поглощаемый атомарный азот поглощается поверхностью стали диффундирует в решетку а-железа, образуя азотистый феррит. По достижении предела насыщения а-фазы образуется у-фаза (при температуре до 590° С) или у’-фаза (при температуре выше эвтектоидной), а при еще большем насыщении азотом происходит образование ε-фазы.

В зависимости от температуры азотирования получается различная микроструктура азотированного слоя железа. При температуре азотирования выше эвтектоидной, например при 600° С, образуются последовательно от поверхности к сердцевине следующие фазы:

ε→ →y→a

При медленном охлаждении от температуры азотирования ε- и а- фазы будут распадаться с выделением избыточной -фазы, а а-фаза будет полностью распадаться на эвтектоид .

В связи с такими превращениями микроструктура азотированного слоя при температуре 20° С будет состоять из следующих фаз (от поверхности к сердцевине, рис.3):

При температуре азотирования ниже эвтектоидной образуются последовательно от поверхности к сердцевине следующие фазы:

«Рис.3 – Азотистый слой железа»

После медленного охлаждения от температуры азотирования строение азотированного слоя будет следующим:

Концентрация азота по глубине слоя при переходе от одной фазы к другой изменяется резко (рис. 4).

«Рис.4 – Изменение содержания азота по толщине азотированного слоя»

При азотировании стали в азотированном слое образуются те же фазы ( , но они содержат, кроме азота, также и углерод, т.е. являются не азотистыми (нитридными) фазами, а углеродоазотистыми (карбонитридными) – Fe₂ (N, C), Fe₄ (N,C). После азотирования железа и углеродистых сталей твердость повышается незначительно (до НУ 300), так как при температуре 500° С и выше происходит коагуляция нитридов (карбонитридов) железа.

«Рис.5 –Микроструктура азотированного слоя легированной стали»

Микроструктура азотированного слоя легированной стали приведена на рис.5. На поверхности образуется тонкая, нетравящаяся нитридная зона ( ). Под этой зоной располагается основная зона азотированного слоя из а- и у-фаз.

Твердость и толщина азотированного слоя зависят от температуры и продолжительности азотирования (рис. 108). Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость (из-за коагуляции нитридов) и больше толщина слоя (в результате увеличения скорости диффузии азота). Азотирование значительно (на 80—100%) повышает предел выносливости, что объясняется возникновением в азотированном слое остаточных напряжений сжатия. Детали из азотированной стали, работающие при переменных нагрузках, мало чувствительны к поверхностным дефектам (царапинам, рискам от шлифования и т. п.), так как напряжения растяжения возникают за пределами азотированного слоя. Это обстоятельство имеет большое практическое значение — понижаются требования к качеству поверхности, а, значит, и удешевляется изготовление азотированных деталей, работающих под значительными переменными нагрузками.

Азотированная сталь обладает теплостойкостью, и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур (например, сталь 38ХМЮА до 500° С). Азотированная сталь хорошо сопротивляется коррозии в воздушной и паровоздушной средах, водопроводной воде, слабых щелочных растворах и т. п. благодаря более высокому электродному потенциалу азотистых фаз по сравнению с потенциалом железа (наиболее электроположительной является е-фаза).

В связи с тем, что азотирование повышает твердость, предел выносливости и коррозионную стойкость, азотированная поверхность детали из стали (38ХМЮА) обладает высокой стойкостью против кавитационного разрушения.