Лекція №36

Навчальні питання:

1. Хіміко-термічна обробка сталі.

2. Основні види ХТО.

Навчальне питання 1. Хіміко-термічна обробка сталі.

Хіміко-термічною обробкою стали називається процес, який поєднує поверхневе насичення стали тим чи іншим елементом при високій температурі і термічний вплив, в результаті яких відбувається зміна хімічного складу, мікроструктури і властивостей поверхневих шарів деталей.

Хіміко-термічна обробка включає в себе цементацію, азотування, ціанування, алітування, силицирование і т. д.

Насичення поверхневого шару відбувається при нагріванні деталі до певної температури в середовищі, легко виділяє насичує елемент в активному стані, і витримці при цій температурі. Середовища, які виділяють насичує елемент, можуть бути газоподібними, рідкими і твердими.

На відміну від поверхневої гарту при хіміко-термічній обробці різниця у властивостях досягається не тільки зміною структури металу, але і його хімічного складу. ХТО не залежить від форми деталей. Вона забезпечує одержання зміцненого шару однакової товщини по всій поверхні. ХТО дає більш істотна відмінність у властивостях поверхні і серцевини деталей. ХТО змінює хімічний склад і структуру поверхневого шару, а поверхнева гарт - тільки структур разом з тим ХТО поступається поверхневому загартуванню по продуктивності.

Основними елементарними процесами будь-якого виду хіміко-термічної обробки є:

Дисоціація-виділення насичує елемента в активному атомарному стані в результаті розкладання вихідних речовин: 2СО ↔ СО 2 + С; 2 NH 3 ↔ ДТ 2 + 2 N і т. д. Ступінь розпаду молекул газу (%) називають ступенем дисоціації.

Абсорбція - захоплення поверхнею металу вільних атомів насичує елемента. Атоми металу, що знаходяться на поверхні, мають спрямовані назовні вільні зв'язку. При подачі до поверхні деталі атомів насичує елемента ці вільні зв'язку вступають в силу, що зменшує поверхневу енергію металу. З підвищенням температури абсорбційна здатність металу збільшується. Розвитку процесу абсорбції сприяє здатність диффундирующего елемента утворювати з основним металом тверді розчини або хімічні сполуки.

Дифузія - проникнення насичує елемента углиб металу. У результаті абсорбції хімічний склад поверхневого шару змінюється, утворюється градієнт концентрацій насичує елемента в поверхневих і нижчих шарах. Дифузія протікає легше при утворенні твердих розчинів впровадження (С, N), ніж твердих розчинів заміщення (Al, Cr, Si). Тому при дифузійної металізації процес ведуть при більш високих температурах.

Поверхневий шар деталі, що відрізняється від вихідного матеріалу по хімічному складу, називається дифузійним шаром. Матеріал деталі під дифузійним шаром з незмінним хімічним складом називається серцевиною.

Навчальне питання 2. Основні види ХТО.

Цементацією називається процес насичення поверхневого шару стальних виробів вуглецем. Цементації піддають сталі з вмістом вуглецю до 0,2%. Розрізняють цементацію в твердому і газоподібному карбюризаторах (вуглецевмісній суміші).

Як твердий карбюризатор застосовують суміш деревного вугілля з вуглекислими солями ВаСОз, СаСОз тощо. Вироби, що цементуються, разом з карбюризатором поміщають у металеві ящики, закривають кришками, старанно обмазують глиною і в такому вигляді витримують у печі при температурі 930—950° С протягом 5—25 год. При цьому в карбюризаторі відбуваються такі реакції:

ВаС0₃ →ВаО + СО₂;

СО_а + С_{вугілля} → 2СО;

2СО → СО₂ + С_ат.

Атомарний вуглець С_ат, що виділяється, дифундує в поверх­неві шари стального виробу і за певний час проникає на глибину 0,5—2,5 мм.

Газову цементацію здійснюють у спеціальних каме­рах при температурі 930—1000°С в середовищі циркулюючої суміші вуглецевмісних газів (природного, генераторного, світильного). Поряд з окисом вуглецю карбюризаторами в цьому Середовищі е також вуглеводні, наприклад метанСН₄:

2СО → СО₂ С_ат;

СН₄→2Н₂+С_ат.

Газова цементація продуктивніша, її легко механізувати й автоматизувати. Ефективним методом інтенсифікації газової цементації є нагрівання виробів с. в. ч. і підвищення її темпера­тури до 1050—1070°С.

Цементація— процес дифузійний, тому концентрація вугле­цю в поверхневому шарі цементованих виробів змінюється від 1,0—0,8% до вихідної в сталі. У зв’язку з цим поступово зміню­ється і структура поверхневого шару від перліто-цементитної до ферито-перлітної із зменшенням кількості перліту (рис. 26).

Цементовані вироби піддають, гартуванню і низькому відпус­канню, внаслідок чого в поверхневому шарі утворюється мар­тенсит, а маловуглецева серцевина складається з в’язкої ферито-перлітної суміші. Тому в цементованих виробів висока стійкість проти спрацювання поєднується з добрим опором ударним на­вантаженням.

Азотування — це насичення поверхневих шарів сталі азо­том. Азотуванню звичайно піддають вироби з легованих сталей із вмістом А1, Мo, Ті, V, W. Азотують в атмосфері аміаку при температурі 500—600° С. Внаслідок дисоціації аміаку виділяєть­ся атомарний азот, який і дифундує в сталь, утворюючи з її компонентами дуже тверді сполуки — нітриди (А1N, Мо₂N, VN тощо). Тому азотована поверхня твердіша за цементовану, має підвищену корозійну стійкість і, крім того, підвищує циклічну міцність виробу. Азотуванню піддають готові вироби, які вже пройшли термічну обробку (гартування з високим відпускан­ням) і були відшліфовані до точних розмірів.

Одним з недоліків азотування є велика його тривалість — до 90 год. За цей час утворюється зміцнений шар, глибина якого досягає 0,8 мм.

Ціанування — це процес одночасного насичення поверхне­вих шарів сталі вуглецем і азотом. Відбувається воно в розплав­лених ціаністих солях (NaCN, КСN) або в середовищі суміші цементуючого (напри­клад, вуглеводні) і азо- туючого (аміак) газів.

При застосуванні газово­го середовища цей процес називають нітроцементацією.

Співвідношення між кількістю вуглецю і азоту вповерхневих шарах

можна регулювати, змінюючи температуру процесу. При зни­женій температурі (530—560^е С) виріб насичується переважно азотом, а при підвищеній (800—950° С)— вуглецем.

Тривалість процесу ціанування в рідких солях становить 0,5—0,6 год, а нітроцементації — 3—12 год. Протягом цього часу вуглець і азот дифундують на глибину приблизно 0,5—1,5 мм.

Низькотемпературне ціанування (530—560° С) застосовують звичайно після остаточної термічної обробки виробу — гарту­вання і високого відпускання. Після середньотемпературного (820—850° С) і високотемпературного (800—950° С) ціанування виробй піддають гартуванню і низькому відпусканню при 160— 200° С.

Шанування застосовують для підвищення твердості і стійко­сті проти спрацювання різального, інструменту і деталей машин, які працюють при невеликих навантаженнях.

Дифузійна металізація —процес насичення поверхневого шару сталі хромом (хромування), алюмінієм (алітування) та іншими металами. Ця металізація може відбуватися в твердому і газовому середовищах — металізаторах. Як твердий метсі­ліз атop використовують суміш феросплаву (сплаву заліза з високим вмістом відповідного елемента — А1, Сr та ін.) з наша­тирем NH₄Cl. При температурі 800—1200°С в цій суміші утво­рюється летка сполука хлору з металом (СrCl₂, А1Сl₃ тощо), яка потім дисоціює, і вільні атоми металу дифундують у поверх­неві шари оброблюваної сталі. Процес насичення триває 5— 15 год. Газова металізація відбувається в середовищі хлоридів відповідних металів.

Насичення поверхневих шарів сталі і стальних виробів хло­ром і алюмінієм застосовують для підвищення їх жаростійкості; хромування, крім того, збільшує стійкість проти спрацювання і корозії деталей машин.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.