Химико-термическая обработка

металлов, совокупность технологических процессов, приводящих к изменению химического состава,структуры и свойств поверхности металла без изменения состава, структуры и свойств его сердцевидныхзон. Осуществляется с помощью диффузионного насыщения поверхности различными элементами приповышенных температурах. Выбор элемента (или комплекса элементов) определяется требуемымисвойствами поверхности детали. Насыщение производят углеродом (Цементация), азотом (Азотирование),азотом и углеродом (Нитроцементация, Цианирование), металлами (см. Диффузионная металлизация),бором (Борирование), кремнием (Силицирование) и т.д.

В зависимости от физико-химического состояния среды, содержащей диффундирующий элемент,различают Х.-т. о. из газовой, жидкой, твёрдой или паровой фазы (чаще применяются первые 2 метода). Х.-т. о. проводится в газовых, вакуумных или в ванных печах. Х.-т. о. подвергаются изделия из стали, чугуна,чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама, кобальта, ниобия, меди, алюминия идр.

Физико-химические процессы, происходящие вблизи поверхности при Х.-т. о., заключаются вобразовании диффундирующего элемента в атомарном состоянии вследствие химических реакций внасыщающей среде или на границе раздела среды с поверхностью металла (при насыщении из газовой илижидкой фазы), сублимации диффундирующего элемента (насыщение из паровой фазы), последующейсорбции атомов элемента поверхностью металла и их диффузии (См. Диффузия) в поверхностные слоиметалла. Концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла, а также структура исвойства диффузионного слоя зависят от метода Х.-т. о. Глубина диффузии элемента возрастает сповышением температуры и с увеличением продолжительности процесса(по параболическому закону. Диффузионный слой, образующийся при Х.т. о. деталей, изменяя структурноэнергетическое состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только на Физико-химические свойства поверхности, но и на объёмные свойства деталей. Х.т. о. позволяет сообщить

изделиямповышенную износостойкость, жаростойкость, коррозонную стойкость

усталостную прочность и т.д. (см.статьи о конкретных процессах Х.т. о.)

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

Газовая цементация.
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.

.При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 15.2 а).
Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 15.2 в).
Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900^oС для исправления структуры сердцевины.
Вторая закалка проводится с температуры 760…780^oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.
Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180^oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.
Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.
Азотирование
Азотирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностные слои насыщаются азотом.
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.
Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.
Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700^oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –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.
Диффузионная металлизвция
Диффузионная металлизвция – 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 метализации 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 метализация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).
Газовая диффузионная метализация проводится вгазовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.
Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200^oС) в течение длительного времени.
22. Термо-механическая обработка (ТМО) стали. Высокотемпературная и низкотемпературная ТМО.

Термомеханическая обработка

металлов (ТМО), совокупность операций деформации, нагрева и охлаждения (в различнойпоследовательности), в результате которой формирование окончательной структуры металла, аследовательно, и его свойств происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределениянесовершенств строения, созданных пластической деформацией. Т. о., особенностью этого способаизменения свойств металлических сплавов является сочетание операций обработки металлов давлением(См. Обработка металлов давлением) и термической обработки (См. Термическая обработка).

Возможность применения ТМО определяется тем, что на процессы структурных превращений существвлияние оказывают присутствующие в реальных сплавах несовершенства строения (Дислокации, дефектыупаковки, вакансии (См. Вакансия)). С другой стороны, в результате некоторых структурных измененийобразуются новые несовершенства, а также происходит перераспределение имеющихся несовершенств.Отсюда механизм и кинетика структурных изменений при ТМО зависят от характера и плотностинесовершенств строения и, в свою очередь, влияют на их количество и распределение.