Химико-термическая обработка стали. Назначение, виды и общие закономерности. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Химико-термической обработка (ХТО) – обработка с сочетанием термического и химического воздействия для изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении, при котором происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (С, Т, В, Аl, Сг, Si, Т и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

ХТО металлов и сплавов как с целью их поверхностного упрочнения, так и для зашиты от коррозии повышает надежность и долговечность деталей машин.

ХТО включает основные взаимосвязанные стадии:

1) образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла;

2) адсорбционно-образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения;

3) диффузионно-перемещение адсорбированных атомов внутри металла. Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя – материала детали у поверхности насыщения, отличающегося от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называется сердцевиной. Общая толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины. Эффективная толщина диффузионного слоя – кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до мерного участка, которое отличается установленным предельным номинальным значением базового параметра.

Базовый параметр диффузионного слоя – параметр материала, служащий критерием изменения качества в зависимости от расстояния от поверхности насыщения. Переходная зона диффузионного слоя – прилегающая к сердцевине внутренняя часть диффузионного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной толщин.

Этап ХТО – диффузия. В металлах при образовании твердых растворов замещения диффузия в основном происходит по вакансионному механизму. При образовании твердых растворов внедрения реализуется механизм диффузии по междоузлиям.

Цементация стали – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в карбюризаторе, проводят при 930–950 °C, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Для цементации используют низкоуглеродистые, легированные стали. Детали поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование.

Основные виды цементации – твердая и газовая. Газовая цементация является более совершенным технологическим процессом, чем твердая. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; упрощается термическая обработка деталей.

Термическая обработка необходима чтобы: исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя; получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины. После цементации термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Недостаток такой термообработки – сложность технологического процесса, возможность окисления и обезуглероживания.

Заключительная операция – низкий отпуск при 160–180 °C, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения и улучшающий механические свойства.

Азотирование стали – ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450–500 °C), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется до 200–225 °C. Азотирование чаще проводят при 500–600 °C.

Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Борирование – насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Борированию подвергают стали перлитного, ферритного и аустенитного классов, тугоплавкие металлы и никелевые сплавы.

Силицирование. В результате диффузионного насыщения поверхности кремнием повышаются коррозионная стойкость, жаростойкость, твердость и износостойкость металлов и сплавов.

Хромирование – насыщение поверхности изделий хромом. Диффузионному хромированию подвергают чугуны, стали различных классов, сплавы на основе никеля, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта и метал-локерамические материалы. Хромирование производят в вакуумных камерах при 1420 °C.

Алитирование – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий алюминием с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости. При алитировании железа и сталей наблюдается плавное падение концентрации алюминия по толщине слоя.

Назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки.

 

39. Старение. Назначение, изменение микроструктуры и свойств сплавов при старении

Отпуск и старение – это разновидности термической обработки, в результате которой происходит изменение свойств закаленных сплавов.

Термин отпуск принято применять только к тем сплавам, которые были подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин старение – в случае закалки без полиморфного превращения (после такой закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор).

Цель отпуска стали – улучшение ее свойств. Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической.

В отличие от отпуска после старения увеличиваются прочность, твердость, уменьшается пластичность.

Главный процесс при старении – это распад пересыщенного твердого раствора, который получается в результате закалки.

Таким образом, старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.

В стареющих сплавах выделения из пересыщенных твердых растворов встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин – линз. Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации.

Естественное старение – это самопроизвольное повышение прочности (и уменьшение пластичности) закаленного сплава, которое происходит в процессе его выдержки при нормальной температуре. Нагрев сплава увеличивает подвижность атомов, что ускоряет процесс.

Твердые растворы при низких температурах чаще всего распадаются до стадии образования зон. Данные зоны являются дисперсными областями, которые обогащены избыточным компонентом. Они сохраняют ту кристаллическую структуру, которую имел первоначальный раствор. Зоны носят название в честь Гинье и Престона. При использовании электронной микроскопии данные зоны можно наблюдать в сплавах Al – Ag, которые имеют вид сферических частиц диаметром ~10А. Спалавы Al – Cu имеют зоны-пластины, которые имеют толщину <10А.

Искусственное старение – это повышение прочности, происходящее в процессе выдержки при повышенных температурах. Если закаленный сплав, имеющий структуру пересыщенного твердого раствора, подвергнуть пластической деформации, то это ускоряет протекающие при старении процессы. Этот вид старения носит название деформационного. Термическая обработка алюминиевых сплавов состоит из двух циклов – закалки и старения. Старение охватывает все процессы, происходящие в пересыщенном твердом растворе, – процессы, подготавливающие выделение, и процессы выделения. Превращение, при котором происходят только процессы выделения, называется дисперсионным твердением.

Для практики большое значение имеет инкубационный период – время, в течение которого в закаленном сплаве совершаются подготовительные процессы, время, в течение которого закаленный сплав сохраняет высокую пластичность. Это позволяет проводить холодную деформацию непосредственно после закалки.

Если при старении происходят только процессы выделения, без сложных подготовительных процессов, то такое явление называют дисперсионным твердением.

Практическое значение явления старения сплавов очень велико. Так, после старения увеличивается прочность и уменьшается пластичность низкоуглеродистой стали в результате дисперсных выделений в феррите цементита третичного и нитридов.

Старение является основным способом упрочнения алюминиевых сплавов, некоторых сплавов меди, а также многих жаропрочных и других сплавов. В настоящее время все более широко используют мартенситностарею-щие сплавы.

Сегодня достаточно часто вместо термина «естественное старение» используют термин – «низкотемпературное старение», а вместо «искусственного старения» – «высокотемпературное старение». Самыми первыми металлами, которые были упрочнены при помощи старения, были алюминиевые сплавы. Упрочнение проводилось при температурах выше 100 °C.

В разных температурных интервалах наблюдаются различия в процессе распада. Поэтому для получения оптимального комплекса свойств в сплавах применяется сложное старение, проходящее в определенной последовательности, при низких и более высоких температурах.

Старение сплавов, вызванное процессом распада пресыщенного твердого раствора, является наиболее важным. После охлаждения сплавов появляется состояние пресыщения твердого раствора. Это вызвано тем, что при высокой температуре увеличивается растворимость примесей и легирующих компонентов.