Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов.

УДК 669.7.017

 

Составитель: доцент Кобзева С.А.

 

Конспект лекций предназначен для студентов заочной формы обучения специальностей для студентов заочной формы обучения по специальности
130503 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. – Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2007. – 92 с.

 

 

Подготовлены по решению методического совета Кубанского государственного технологического университета.

 

 

Рецензент: канд. техн. наук, доцент А.Г. Соколов

 

© КубГТУ, 2007

 

 

ТЕМА 1

Строение металлов.

Введение

1.1. Макро- и микроструктура металлических материалов.

1.2. Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов.

1.3. Дефекты кристаллического строения. Прочность бездефектных и реальных кристаллических тел.

 

Материаловедение - это наука о взаимосвязи строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит. Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.

Великий русский металлург Аносов П.П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.

В 1873-1876 г. Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.

Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.

В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100000 раз.

В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.

Генеральной задачей современного материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).

Классификация металлов:

Металлические металлы и сплавы принято делить на две группы:

§ черные металлы – железо и сплавы на его основе (сталь, чугун);

§ цветные металлы, которые в свою очередь подразделяются на:

- легкие (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотностью (< 5 г/см³),

- тяжелые (Pb, Zn, Cd, Co), обладающие плотностью большей, чем у железа (7,8 г/см³),

- легкоплавкие (Pb, Hg, Sn, Zn);

- тугоплавкие (Ti, Cr, Vo, W, V), с температурой плавления выше, чем у железа (1539°С),

- благородные (Au, Ag, Pt, Pd), обладающие химической инертностью,

- урановые (актиноиды), используемые в атомной технике,

- щелочноземельные (Li, Na, K). Названы так потому, что их окислы – «земли» (по терминологии алхимиков) – сообщают воде щелочную реакцию.

Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические. В узлах кристаллических решеток металлов находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны (электронный газ). То есть ионы расположены в металлах закономерно.

Характерные свойства металлов объясняются специфическими свойствами металлической связи. Свойства:

- высокая тепло- и электропроводность,

- хорошая отражательная способность: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском,

- повышенная способность к пластической деформации,

- положительный температурный коэффициент эл. сопротивления; с повышением температуры эл. сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов (около 30) обладают сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273,15°С), эл. сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля),

- способность испускать электроны при нагреве (термоэлектронная эмиссия).

 

1.1. Макро- и микроструктура металлических материалов.

Макроструктура – строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30 – 40 раз).

Исследуют на специальных макрошлифах, вырезанных из крупных заготовок (слитков, поковок и т.п.) или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальным реактивом. Если образец изготовлен в поперечном сечении детали, то его называют темплетом. При исследовании макрошлифа можно обнаружить: форму и расположение зерен в литом металле, волокна (деформированные кристаллиты), дефекты (усадочную рыхлость, газовые пузыри, раковины, трещины), химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации или созданную термической обработкой или химико-термической обработкой.

Микроструктура – строение металла или сплава, наблюдаемое с помощью микроскопа (оптического или электронного) при больших увеличениях. Разрешающая способность (минимальная величина объекта, которая различима) оптического микроскопа – 200нм, электронного (РЭМ, ПЭМ) – 0,2-0,5 нм. Для исследования микроструктуры изготавливают микрошлиф, одну из плоскостей которого шлифуют, полируют, травят. Микроструктура показывает размер и форму зерен, взаимное расположение фаз, их форму, размеры, микропороки металла (микротрещины и т.п.), наличие неметаллических включений (сульфидов, оксидов и др. примесей, частиц графита).

 

Понятия фазы, компонента, системы. Определения твердых растворов, химических соединений, механических смесей.

 

Сплав – вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Составляющие сплав вещества могут образовывать:

1. механические смеси – когда компоненты не способны к взаимному растворению и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Рентгенограмма показывает наличие двух решеток. Свойства А и В в сплаве тождественны свойствам чистых металлов А и В.

2. химическое соединение. При образовании химического соединения:

- соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что может быть выражено простой формулой (A_nB_m),

- образуется кристаллическая решетка отличная от решеток А и В с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов. При образовании химического соединения металлов возникает металлическая связь, металла с неметаллом – ионная связь.

3. твердый раствор – твердая фаза, в которой один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого компонентов) располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периорды). Химический анализ показывает наличие двух элементов. Рентгеновский обнаруживает один тип кристаллической решетки.

В отличие от механической смеси твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку.

В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций.

Существуют твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров А и В. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов важный момент, определяющий изменение свойств. В общем, относительное упрочнение пропорционально относительному изменению параметра решетки, при чем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

При образовании твердых растворов внедрения периоды решетки увеличиваются. Диаметр атома растворенного элемента должен быть невелик. Металлы образуют твердые растворы внедрения с элементами I группы (H, N, C).

Твердые растворы замещения могут быть:

неограниченные при условиях:

- наличия у обоих компонент одинаковых кристаллических решеток,

- малое различие атомных размеров компонентов,

- близкое расположение в Периодической системе Менделеева.

ограниченные при несоблюдении этих условий. Растворимость тем меньше, чем больше различия в атомных радиусах и свойствах компонентов. В большинстве случаев растворимость уменьшается с падением температуры.

В обычных твердых растворах атомы растворенного элемента распределяются в решетке растворителя беспорядочно, однако при известных условиях атом занимают определенные места в узлах решетки, т.е. переходят в упорядоченное расположение – упорядоченный твердый раствор. Например: Cu₃Au. Атомы Au все угловые, а Cu – центрирующие грани. Cu₃Au – упорядоченный твердый раствор – образуется при медленном охлаждении.

Твердые растворы на базе химических соединений, образование которых сопровождается появлением пустых мест в узлах решетки, называются растворами вычитания. Например: борид железа (Fe₄B₂) способен растворить Cr и С, при чем Cr заменяет Fe, а C заменяет В. Соотношение (Fe + Cr)/(В + С) = 4/2. Такой раствор обозначается (Fe, Cr)₄(В + С)₂ или М₄Х₂. Образование твердого раствора сопровождается не только заменой, но и тем, что отдельные узлы в решетке оказываются не занятые атомами («пустые»).

Система – совокупность фаз в сплаве, находящихся в состоянии стабильного либо метастабильного равновесия.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Компонентами (k)называются вещества, образующие систему.

Фазой (f) называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Число степеней свободы (с)– число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Правило фаз (при условии, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении):

с = k – f + 1

Если с=0, то система нонвариантная, то есть любое изменение внешних факторов приведет к изменению числа фаз в системе.

Если с=1 – система моновариантная, то есть если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах.

3.2. Построение диаграмм состояния. Эвтектическая кристаллизация.
Правила отрезков.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Показывает устойчивые состояния, то есть с минимальной свободной энергией, представляет собой теоретический случай, а в практике используется для рассмотрения превращений при малых скоростях нагрева или охлаждения.

 

Экспериментальное построение диаграмм

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа.

В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками.

Начинается охлаждение, и температуру отмечают через определенные промежутки времени. Имея достаточное количество сплавов, и определив в каждом сплаве температуру превращений, можно построить диаграмму состояний.

Для более точного построения диаграммы состояния в дополнении к термическому методу структуру сплавов разного состава и по разному обработанных термически, изучают с помощью микроскопа, рентгеновских лучей; измеряют разнообразнейшие физические свойства сплавов и т.д.

Диаграммы состояния позволяют определить какую структуру будут иметь медленно охлажденные сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменение микроструктуры в результате термической обработки сплавов (поскольку технологические и эксплуатационные свойства сплавов тесно связаны с их микроструктурой).

Вид диаграммы определяется характером взаимодействий, которые возникают между компонентами в жидком и твердом состояниях.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси
из чистых компонентов (I рода)

Оба компонента в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений.

Компоненты: вещества А и В (k =2).

Фазы: жидкость L, кристаллы А, кристаллы В (максимально f = 3).

Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости называется эвтектикой (то есть легкоплавящаяся – греч.)

Структура состояния доэвтектического сплава: А + эвт (А + В), заэвтектического: В + эвт (А + В), эвтектического А+В.

 

Правило отрезков

Первое положение	Чтобы определить концентрации компонентов в фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз
Второе положение	Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Рассмотри сплав состава а при температуре t1

1. Концентрация компонента В в расплаве при указанной температуре определяется по точке в.

2. Количество жидкости:

Кол-во кристаллов В:

 

 

Охлаждающие среды

При закалке наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше) V_кр в интервале А₁ – М_н для подавления распада аустенита в области перлитных превращений (М_н – М_к).

Чаще для закалки используют воду, водные растворы солей и щелочей, масла.

Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения; а также охлаждением смесями воды и воздуха, подаваемых через форсунки (применяют для крупных поковок и рельс).

Все шире начинают применять охлаждение под давлением в среде азота, аргона и водорода.

Выбор закалочных сред определяется видом изделия. Например, воду используют при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из углеродистой стали. Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей сталей закаляют в маслах. Для закалки легированных сталей часто используют растворы NaCl и NaOH. Для некоторых легированных сталей достаточно охлаждения на воздухе.

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода (чем больше углерода, тем выше твердость). Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Прокаливаемость зависит от:

· критической скорости охлаждения. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость;

· величины зерна аустенита. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость;

· характера закалочной среды. Прокаливаемость уменьшается в следующем порядке: растворы солей и щелочей ® вода 20°С ® масло ® воздух;

· химического состава стали. С введением в сталь легирующих элементов (кроме кобальта) закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибдена и бора);

· нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр D_k.

Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Поверхностная закалка –

термическая обработка при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина остается незакаленной.

Методы поверхностной закалки:

– закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты, применяют при массовой обработке стальных изделий;

– газопламенная поверхностная закалка пламенем газовых или кислородно-ацетиленовых горелок (температура пламени 2400–3000°С) для единичных крупных изделий;

– закалка в электролите, применяют для небольших деталей в массовом производстве;

– лазерная закалка, позволяет существенно увеличить износостойкость, предел выносливости при изгибе и предел контактной выносливости.

Наиболее распространенной является закалка с индукционным нагревом (токами высокой частоты – ТВЧ).

Деталь помещают внутри индуктора. Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия. К индуктору подводят переменный ток высокой частоты. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле; в результате чего в металле детали возникают вихревые токи, которые нагревают деталь. Основное количество тепла выделяется в поверхностном слое. Чем больше частота тока, тем тоньше закаленный слой (применяют генераторы от 500 до 5000 и даже 15000 Гц). Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

После нагрева в течение 3…5 с индуктора деталь быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелкоигольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200^oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 % (40, 45, 40Х и др.): шейки коленчатых валов, гильзы цилиндров, поршневые пальцы, пальцы рессоры и т.д.

При газопламенной закалке нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200^oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

 

6.2.3. Отпуск стали.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже А_С1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью.

Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является получение заданного комплекса механических свойств (повышение вязкости и пластичности, снижение твердости), а также полное или частичное снятие внутренних напряжений закаленных сталей.

Чем медленнее охлаждение, тем ниже остаточные напряжения. Однако легированные стали (склонные к образованию отпускной хрупкости) после 500–600°С, следует охлаждать быстро.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкотемпературный (низкий) отпуск

Температура нагрева 150 – 250°С. Структура – отпущенный мартенсит HRC 58–63. Твердость почти не снижается. Снижаются закалочные макронапряжения. Повышаются прочность и вязкость.

Подвергают: режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование.

Время отпуска обычно 1,5–2 часа и более.

2. Среднетемпературный (средний) отпуск

Температура нагрева 350 – 450°С. Структура – троостит отпуска HRC 40–50. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости, выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок.

Применяют главным образом для пружин, рессор и штампов.

Охлаждение лучше проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

3. Высокотемпературный (высокий) отпуск

Температура нагрева 500 – 650°С. Структура – сорбит отпуска с зернистым цементитом. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Отпуск при данной температуре в течении 1,5 –2 часов почти полностью снижает остаточные напряжения, возникшие при закалке.

Отпуск легированных сталей проводят при более высоких температурах, так как легирующие элементы, особенно хром, молибден и кремний затрудняют процесс распада мартенсита. Структура отпущенного мартенсита может сохранятся при температурах 400–600°С.

При одинаковой температуре отпуска предел прочности и пластичность у легированных сталей выше.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышают предел упругости, предел текучести, твердость, относительное сужение, и особенно ударную вязкость.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Улучшение является основным видом термической обработки конструкционных сталей, которые подвергаются действию высоких напряжений и ударным нагрузкам.

 

ТЕМА 7

Химико-термическая обработка сталей.

7.1. Физические основы химико-термической обработки.

7.2. Цементация.

7.3. Азотирование.

7.4. Цианирование и нитроцементация.

7.5. Диффузионная металлизация.

 

7.1. Физические основы химико-термической обработки.

Химико-термическая обработка – 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. Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура.

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

Диссоциация – распад молекул и образование активных атомов насыщающей атмосферы или получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – поглощение (растворение) поверхностью металла свободных атомов.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь металла (изделия).

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

В результате диффузии образуется дифузионный слой, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей. Это объясняется тем, что большинство из них работают в условиях циклических нагрузок, коррозии, криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений.

Преимущества ХТО (по сравнению с поверхностной закалкой):

1. независимость от внешней формы изделия;

2. большие различия между свойствами сердцевины и поверхности (т.к. разница в свойствах определяется не только различием в строении, но и различием в химическом составе);

3. последствия перегрева могут быть устранены последующей термической обработкой.

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);

· борирование;

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

 

7.2. Цементация.

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950^oС. В соответствующей среде – карбюризаторе.

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. = 0,5–2 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.

Науглероживающей средой при цементации служат:

– твердые карбюризаторы (древесный уголь с добавками углекислых солей
ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве 10…40 %).

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ^oС. За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода:

O₂ + C_{карбюриз.} = CO (килорода недостаточно для образования СО₂)

ВаСО₃ = ВаО + СО

2СО = СО₂ + С_ат

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;

· громоздкое оборудование;

· сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

– жидкие соляные ванны, в состав которых входят поваренная соль (NaCl), углекислый натрий, цианистый натрий (NaCN) и хлористый барий (BaCl₂).

– газы, содержащие углерод (природный газ, состоящий почти полностью из метана СН₄). Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

· 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.

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

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.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия.

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

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

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

1. Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900^oС для исправления структуры сердцевины и дробления цементитной сетки.

2. Вторая закалка проводится с температуры 760…780^oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

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

Цементации подвергают детали, работающие в условиях трения, больших давлениях и циклических нагрузках: зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, валы, ролики.

 

7.3. Азотирование.

Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом. Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

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

При азотировании увеличиваются не только твердость и износостойкость, но также повышается коррозионная стойкость в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованного и сохраняется при нагреве до высоких температур (400 –500°С), тогда как у цементованного только до 200–225°С.

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. Поэтому углеродистые стали подвергают только антикоррозийному азотированию.

Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, таких как алюминий, молибден, хром, титан, ванадий. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38Х2МЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю, 18хгт и др.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость и больше толщина азотированного слоя. Снижение твердости азотированного слоя связано с коагуляцией легирующих элементов.

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^oС 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 ста