6. Химико-термическая обработка.

Химико-термическая обработка (ХТО) – это насыщение поверхности стального изделия тем или иным элементом путем диффузии его из внешней среды. ХТО применяют для повышения коррозионной стойкости, поверхностной твердости и износостойкости деталей.

По диффундирующему веществу различают такие виды насыщения как:

• цементация – углеродом;

• нитроцементация – углеродом и азотом одновременно;

• азотирование – азотом;

• борирование – бором;

• силицирование – кремнием;

• алитирование – алюминием;

• хромирование – хромом.

Способами диффузионного насыщения являются: погружение в расплав, насыщение из расплавленных солей (с электролизом или без него), насыщение из сублимированной фазы (путем испарения или из газовой фазы).

ХТО возможна в том случае, если диффундирующий элемент с железом образует твердые растворы, желательно внедрения (тогда насыщение идет быстрее).

Одним из самых распространённых способов химико-термической обработки является цементация и азотирование.

Цементация. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали, с содержанием углерода 0,1…0,3%, с целью сохранить вязкость сердцевины изделия. После цементации концентрация углерода на поверхности детали повышается до 0,8…1,1%, что обеспечивает после закалки (структура – мартенсит) высокую твердость и износостойкость. Цементации подвергают небольшие шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др. Те участки поверхности, которые не подлежат цементации, защищают тонким слоем меди (0,02…0,04 мм), который наносится электролитически.

При температуре до 910 ⁰С проводить цементацию не имеет смысла, так как расторимость углерода в феррите очень небольшая – до 0,025% (см. диаграмму железо-цементит) и эффект повышения твердости тоже небольшой. При температуре более 910 ⁰С растворимость углерода в аустените большая – до 2,14%, и эффект повышения твердость тоже увеличивается. Поэтому цементации проводят при температурах 910…950 ⁰С, когда зерно аустенита еще некрупное.

После медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно выделить три зоны: 1) поверхностный слой заэвтектоидной зоны (углерода 0,8…1,1%), состоящий из перлита и вторичного цементита (по границам зерен); 2) эвтектоидная зона (углерода 0,8%), состоящая из пластинчатого перлита; 3) доэвтектоидная зона (углерода от 0,8% до исходной концентрации его в стали), состоящая из избыточного феррита и перлита, концентрация которого уменьшается по мере приближения к сердцевине детали (до исходного в стали).

После цементации выполняют закалку (для измельчения зерна и растворения хрупкой сетки вторичного цементита) и низкий отпуск (для снятия внутренних напряжений).

Азотирование. Целями азотирования являются: повышение поверхностной твердости и износостойкости; повышение коррозионной стойкости в различных средах. Повышенная твердость азотированного слоя сохраняется до температуры 600…650 ⁰С, а цементированного – до 200 ⁰С. После азотирования концентрация углерода составляет 10…11%, выше нежелательно, так как слой будет слишком хрупким.

Наличие углерода на процесс азотирования сталей принципиального влияния не оказывает, однако на базе нитридов железа образуются твердые растворы не только азота, но и углерода, которые называются карбонитридами. Твердость и износостойкость повышают только легированных сталей с содержанием углерода 0,3…0,5%. Углеродистые стали не применяют, так карбонитриды железа мягкие. Карбонитриды легирующих элементов, особенно хрома, молибдена, вольфрама, алюминия и др. обладают высокой твердостью.

Чем выше температура азотирования, тем твердость слоя ниже, за счет укрупнения карбонитридов. Поэтому азотирование ведут на крайнем нижнем пределе по температуре – 480…550 ⁰С.

Если нужно повысить коррозионную стойкость, то можно азотировать любые стали – углеродистые и легированные, при температуре 600…700 ⁰С.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Варианты заданий см. Приложение 8, Задание №6. Отчёт оформить в соответствии со специальной формой (см. далее «Отчёт по работе»).

1. Для данной детали, в зависимости от условий эксплуатации, выбрать марку стали, используя данные Приложения 7.6. По возможности избегать применения дорогостоящих высоколегированных сталей (с большим процентным содержанием легирующих элементов).

2. Используя информацию Приложения 7.7 расшифровать химический состав выбранной стали.

3. Зарисовать часть диаграммы «углерод-цементит», соответствующую области сталей (см. рис. 5.1). По содержанию в сплаве углерода нанести на рисунок вертикальную линию, соответствующую данной марке стали.

4. Назначить режимы термической обработки, используя данные Приложений 7.5.

5. Описать процессы, происходящие в стали при выбранных режимах термической обработке.

6. Дать характеристику стали после термообработки (микроструктура, механические свойства), связав ее с возможной областью применения (см. Приложение 7.6).

Вопросы для самопроверки:

1. Механизм каких четырех основных превращений в фазах составляет основу теории термической обработки?

2. Что такое отжиг? Какова микроструктура доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей после отжига?

3. Для чего проводят гомогенизацию. Какие существуют способы измельчения зерна?

4. Как и с какой целью проводят полный отжиг?

5. В чём преимущества изотермического отжига перед полным?

6. С какой целью проводят рекристаллизационный отжиг. От чего зависит выбор температуры под рекристаллизационный отжиг?

7. Каковы цели проведения неполного отжига для доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей? В чём его суть?

8. Что такое сфероидизация? Какова структура заэвтектоидных сталей после такого вида термообработки?

9. С какой целью проводят нормализацию? В чём она заключается?

10. Какова структура доэвтектоидных, заэвтектоидных и эвтектоидной стали после нормализации?

11. Расскажите об особенностях нормализации низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей?

12. Для чего проводится закалка? В чём она заключается?

13. В различие закалки углеродистых и легированных сталей?

14. От чего зависит выбор температуры под закалку?

15. Почему нагрев заэвтектоидных сталей под закалку до температур выше А_cm не производят?

16. От чего зависит скорость нагрева под закалку?

17. Какие вы знаете виды закалочных сред?

18. Расскажите об особенностях непрерывной, прерывистой, ступенчатой и изотермической закалки.

19. Почему после закалки сталь подвергается отпуску?

20. Какие бывают виды отпуска? Какая микроструктура получается после них?

21. С какой целью проводят поверхностную закалку ТВЧ?

22. Какие применяются способы закалки ТВЧ?

23. В чём заключается химико-термическая обработка? Какие химические элементы используют для диффузионного насыщения?

24. Что такое цементация? Какие три зоны можно выделить в структуре цементованного слоя после медленного охлаждения?

25. В чём преимущества азотированного слоя перед цементированным?

26. Какие температурные режимы применяют при азотировании? Почему?