Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

Глава 6. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

6.1. Общие закономерности

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Различают три стадии процесса химико-термической обработки.

На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) феде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоянии.

На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью металла - происходит адсорбция или хемо-сорбция диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция), возникает градиент концентрации-движущая сила для следующей стадии процесса.

Третья стадия-диффузионное проникновение элемента в глубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Первая и вторая стадии процесса химико-термической обработки протекают значительно быстрее третьей - диффузионной стадии, где формируются структура и свойства диффузионной зоны. Третья стадия определяет скорость процесса химико-термической обработки.

Фазовые и структурные изменения, происходящие на диффузионной стадии процесса, можно предсказать с помощью двойных диаграмм состояния, если в диффузионном взаимодействии участвуют всего два элемента. При этом предполагается, что диффузионный процесс не интенсифицируется и образующаяся диффузионная зона находится в равновесном состоянии.

Так, при длительном диффузионном насыщении (tj) элемента А элементом В можно добиться соответствия фазового состава диффузионной зоны равновесной диаграмме состояния (рис. 6.1). Последовательность образования фаз при температуре диффузионного насыщения соответствует последовательности их расположения на диаграмме (у, а, Р, 5 на рис. 6.1). Однако фазы с очень узкими областями гомогенности на диаграмме состояния могут расти так мед-

% (f р о, (


Температура

от поверхности

Рис. 6.1. Схема образования фаз в диффузионных слоях в соответствии с равновесной диаграммой состояния (время выдержки < Т2 < Tj)



ленно, что их слои в диффузионной зоне не обнаруживаются.

Двухфазные области в диффузионной зоне не образуются, так как через фазу постоянного состава диффузионный перенос невозможен из-за отсутствия градиента концентрации.

Двухфазный слой в диффузионной зоне может образоваться при медленном охлаждении от температуры диффузионного насыщения вследствие переменной растворимости и вторичных выделений а- и 5-фазы. Кроме того, двухфазная смесь может образоваться в диффузионной зоне в результате фазо-юй перекристаллизации в процессе охлаждения от температуры диффузионного насыщения (рис. 6.2), в то время как при диффузионном насыщении образуется твердый раствор у переменной концентрации*.

Для однофазных областей диффузионной зоны зависимость роста толщины слоя от продолжительности насыщения при Гдиф = const подчиняется параболическому закону: L = k]fz, а зависимость толщины слоя от температуры при т = const-экспоненциальному: Д = k2e-Q/T где fci и fcj - константы, а б - энергия активации диффузионных процессов. Толщина диффузионного слоя при = const и т = const тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на насыщаемой поверхности.

Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред. Более рациональной исходной средой является активизированная газовая среда, т. е. среда, лишен-


Двухфазные области могут также образоваться при насыщении сплава каким-либо элементом или чистого элемента сразу двумя диффундирующими элементами, так как в тройных системах возможно существование двойных смесей из фаз переменного состава.

Рис. 6.2. Равновесная диаграмма с эвтектоидным превращением у-твердого раствора

ная нейтральных (балластных) примесей, где активный диффундирующий элемент образуется в результате диссоциации, диспропорционирования или восстановительных реакций, которые называются ведущими. Выявлять ведущие химические реакции можно экспериментально или расчетным путем. В последнем случае более вероятной считается реакция, имеющая более отрицательный изобарный потенциал (свободную энергию Гиббса) или большую константу равновесия. В ряде случаев исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде.

6.2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом

Диффузионное насьпцение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами - наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки.

Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя слои значительной толщины.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией.



Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8-1%, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу. Твердость на поверхности

HF 7500-9500. Сердцевина детали, содержащая 0,08-0,25% С, остается вязкой, а поверхности, не подлежащие цементации, защищаются гальваническим омеднением. Толщина медного слоя составляет 0,02 - 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д.

Карбюризаторы. Исходную среду для цементации (науглероживания) принято называть карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, процесс цементации в твердом и газовом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20-25% углекислого бария для интенсификации процесса и 3-5% CaCOj для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковываются в контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи до 910-930 °С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

2С-Ь022С0.

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

ВаСОз-ьС->ВаО-ь2СО.

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция дис-

пропорционирования

2COf±C02-bC,

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а COj взаимодействует с углем, образуя новые порции СО.

Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (состоящий по-


Рис. 6.3. Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали, Х50:

1 - заэвтектоидная зона; 2 - эвтектоидная зона; 3 - доэвтектоидная зона



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65