Химико-термическая обработка
Глава 4. Химико-термическая обработка
§1. Общие представления о ХТО
Химико-термическая обработка (ХТО) – обработка готовых деталей, сочетающая в себе и химические, и термические воздействия, при которой происходит диффузионное обогащение поверхности атомами одного или нескольких компонентов.
Цель: изменить химический состав, структуру, а следовательно и свойства поверхности.
- Условия для ХТО
● насыщающий компонент растворяется в решетке основного Ме;
● температура должна обеспечивать диффузию;
● деталь должна быть окружена средой, содержащей насыщенный компонент.
- Стадии процесса ХТО
● образование насыщающего компонента в активированном виде (атомы, ионы);
● адсорбция (закрепление) частиц на поверхности, образование градиента концентрации;
Рекомендуемые материалы
● диффузия – самая медленная стадия (быстрее пойдет процесс с атомами внедрения, замещения – медленнее). В итоге образуется диффузионный слой.
Диффузионный слой в этом случае (рис. 101)– твердый раствор, у которого концентрация атомов В постепенно понижается до 0.
Обогатить можно (рис. 102), но только в ГЦК решетке Fe, т.е. при температуре выше 911˚С. В этом случае диффузионный слой имеет сплошное строение, слой повторяет структуру диаграммы состояния.
Структура слоя определяется видом диаграммы состояния.
§2. Цементация
Цементация - это процесс насыщения поверхности стальных деталей углеродом.
Цель: получить на поверхности высокую твердость, а в сердцевине сохранить вязкость.
Такие детали используют для работы в зоне трения и ударных нагрузок.
Стали для цементации должны быть:
● с низким содержанием C: %С ≤ 0,25%;
● обогащаем до концентрации 0,8-1,2%;
● температура насыщения 930˚С;
● среда – карбюризатор
а) твердый (древесный уголь);
б) жидкий (бензол, керосин);
в) газовый (метан);
● детали – зубчатые колеса, поршни, кольца;
● толщина – в зависимости от нагрузки:
а) средние контактные давления 0,5-0,8 мм;
б) большие контактные давления 1-1,2 мм;
● время – долго, тв. ~ 0,1 мм/час, газ ~ 0,2 мм/час при температуре 930˚С. При 10 часах размер зерна увеличивается, используются только природномелкозернистые стали;
● структура слоя:
| П+Ц |
| П |
| Ф+П |
| основа |
Самонасыщение поверхности углеродом твердости не дает;
● сложности ХТО:
а) цели: max твердость поверхности + вязкая сердцевина + измельченное зерно + устранение цементационной сетки;
б) получается фактически 2 стали – сердцевина (констукционна), поверхность (инструментальная).
Варианты ХТО
I – измельчение зерна, устранение цементационной сетки;
II – max твердость поверхности ―› М+Ц;
вязкая сердцевина ―› Ф+С;
Газовая цементация:
Поверхность М+Ц, высокая твердость, сердцевина вязкая.
Итог: очень высокая твердость поверхности HV (измерение алмазным конусом), HV ~ 7000.
Недостатки:
- Длительные выдержки + закалка сопровождаются короблением детали, т.е. уходит форма, поэтому при доводке размеров применяется шлифовка и частично снимается диффузионный слой.
- Высокая твердость поверхности не удерживается при разогреве зубчатого колеса > 100-150˚С. Цементация не применяется для высокоточных и высокоскоростных деталей, зубчатых передач.
§3. Азотирование
Азотирование – насыщение поверхности деталей азотом.
tнас ~ 500-600˚C
Закалка не нужна.
| Fe2N | нитриды |
| Fe4N | |
| азотистый феррит | |
| основа |
HV ≥ 5000
Если в сталях есть Cr, Al, Mo, то нитриды имеют HV ≥ 10000-12000.
● стали с %С ~ 0,35-0,4% + Сr (2-3%), Al (1%), Mo (0.5%);
● t = 500-600˚С;
● среда – NH3, N2;
● толщина – 0,3-0,5 мм;
● время – 48 часов/0,5 мм;
● детали – высокоточные детали зубчатых и червячных передач.
Пример маршрута обработки детали:
Заготовка ―› предварительная ТО ―› предварительна мех. обработка ―› улучшение (закалка + высокий отпуск, 500-600˚С) ―› окончательная мех. обработка ―› азотирование 500-600˚С
Достоинства азотирования:
- При азотировании не изменяется структура сердцевины детали, следовательно нет коробления, не нужна доводка точных размеров.
- Нитриды сохраняют твердость при нагреве до 250˚С, но очень долго.
§4. Ионные методы ХТО
Процессы ведутся в плазме тлеющего разряда.
U = 300-1000 B;
N2 - 1ē ―› N21+
Газ ионизированный. Ион азота бомбардирует катод (деталь):
1) идет катодное распыление (очистка поверхности детали от оксидов);
Лекция "12 Аэродинамические моменты" также может быть Вам полезна.
2) резко облегчается адсорбция;
3) поверхность детали разогревается.
Поэтому:
1) процесс ускоряется в 2-3 раза;
2) процесс управляется через давление газа, расход газа, разность потенциалов;
3) экологически чистый процесс.
