Учебное пособие по дисциплине материаловедение. Тема: Химико-термическая обработка сталей.

Химико- термическая обработка.
Химико-термическая обработка заключается в химическом и термическом воздействии с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя метала. В процессе химико-термической обработки происходит поверхностное насыщение металла соответствующим элементом в процессе его диффузии в атомарном виде из жидкой, твердой или газовой среды при высокой температуре. Основные виды химико-термической обработки классифицируют по названиям элементов, которыми насыщается поверхностный слой. Например, насыщение углеродом называется цементацией, азотом-азотированном, хромом-хромированием.
Широкое применение химико-термической обработки в различных областях техники объясняется тем, что она, повышая твердость, низкостойкость, коррозионную стойкость поверхности, увеличивает надежность и долговечность работы деталей машин и механизмов.
Химико-термическая обработка складывается из:
Диссоциации, которая происходит на контактной поверхности <<металл-газовая среда>> и приводит к выделению диффундирующего элемента в атомарном состоянии;
Абсорбции- поглощения поверхностью свободных атомов;
Диффузии- проникновения насыщающего элемента вглубь поверхностного слоя.
Основным физическим процессом является диффузия, скорость которой увеличивается при повышении температуры, диффундирующий элемент проникает на большую глубину.
Цементация заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде-карбюризаторе. Процесс цементации проходит при температуре выше точки Ас3 (900…950 ˚С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах. Цементацию проводят в твердых, жидких и газовых карбюризаторах. Основой реакцией, обеспечивающей науглероживание, является диссоциация метана:
CH4 ―›2H2+Cam
Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали, содержащие от 0,1 до 0,35% углерода. Поверхностные слои стали после цементации имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (начиная от поверхности) три зоны:
Заэвтектойдную, состоящую из перлита и вторичного цементита;
Эвтектойдную, состоящую из одного пластичного перлита;
Доэвтектойдную, состоящую из перлита и феррита.
Общая толщина цементованного слоя составляет 0.8…3.0 мм.
После цементации для получения необходимых свойств проводят термическую обработку-закалку с низким отпуском. В результате термической обработки поверхностный слой приобретает износостойкую структуру мартенсита с включением карбидов, а низкоуглеродистая сердцевина детали оказывается достаточно вязкой, получая мартенситно-ферритную структуру для легированной стали или ферритно-сорбитную для углеродистой стали. Чаще всего цементации подвергают шестерни различных механизмов с целью повышения их долговечности.
Азотирование заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом в соответствующей среде. Перед азотированием стали подвергают термической обработке-закалки высокому отпуску.
Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий и другие элементы, способные образовывать с азотом очень твердые и термостойкие нитриды. Азотирование проводят при температуре 500…600 ˚С. Основная реакция, происходящая на поверхности детали, -реакция диссоциации аммиака:
NH3―›⅔H2+NAM
После азотирования сталь приобретает высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость. По этим свойствам азотированные стали, превосходят цементованные. Однако азотированный слой хуже противостоит ударным нагрузкам и имеет более низкую контактную выносливость. Из-за большой длительности процесса (до 70ч) применение азотирования экономически целесообразно для обработки ответственных изделий, например, коленчатых валов автомобилей, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, различных деталей арматуры и д.р.
Хромирование заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом при температуре 900.1300 ˚С в соответствующей среде. Хромирование обеспечивает повышенную жаростойкость стали до температуры 800 ˚С, высокие коррозионную и эрозионную стойкость. Хромированию подвергаются детали паросиловых установок, паропроводной арматуры, вентили, клапаны, патрубки. Для увеличения сопротивляемости коррозии хромированию подвергают трансформаторную сталь. При этом сталь дополнительно приобретает высокую жаропрочность.