МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ"

__________________________________________________________

К а ф е д р а "Материаловедение и товарная экспертиза"

Химико-термическая обработка углеродистых сталей

Методические указания

Самара

Самарский государственный технический университет

2013

Рекомендовано к использованию на заседании кафедры "Материаловедение и товарная экспертиза"

Протокол № __12__ от _12 декабря__ 2013 года

УДК 620.22

Химико-термическая обработка углеродистых сталей:

Метод. указ. / Самар. гос. техн. ун-т; Сост. Д.В. Закамов,

Д.А. Майдан, А.Р. Луц. Самара, 2013. 23 с.

Представлены процессы химико-термической обработки, диаграммы состояния и структурные составляющие, которые образуются в результате ХТО, указаны механические свойства.

Предназначены для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 151900, 221700, 151000, 221700, 131000, 151900, 190600, 141100, 140100, 200100, 220100, 220700, 150700, 190700, 240100, 241000, 240300, 170100.

УДК 620.22

Илл.. 6 . Табл. 4 .Библиогр.: 4 назв.

Составители: канд. техн. наук Д.В. Закамов

канд. техн. наук Д.А. Майдан

канд. техн. наук Луц А.Р.

 Д.В. Закамов, Д.А. Майдан,

А.Р. Луц составление 2013

 Самарский государственный

технический университет 2013

Цель работы – изучение методов химико-термической обработки сталей и получение навыков выбора основных технологических приемов.

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) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоянии.

На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью металла, происходит адсорбция или хемосорбция 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.

По назначению можно выделить два вида химико-термической обработки:

1) упрочняющие технологические процессы;

2) специальные технологические процессы, проводимые в целях придания поверхностному слою особых свойств—жаростойкости, термостойкости, антикоррозионной стойкости и др.

К упрочняющим видам ХТО относятся, например, цементация, азотирование. К специальным — алитирование, низкотемпературное цианирование и др.

В зависимости от последовательности выполнения операций диффузионного насыщения и собственно термической обработки можно выделить два класса методов химико-термической обработки.

Первый класс включает такие процессы, в которых термическая обработка предшествует диффузионному насыщению, т. е. насыщение поверхностного слоя тем или иным элементом является заключительной операцией, формирующей фазовый состав и свойства детали. Такого рода диффузионное насыщение осуществляется при относительно низких температурах (300 — 600°С). В связи с этим, температура, структура и прочность сердцевины практически остаются неизменными, т. е. задаются выбором режима предшествующей термической обработки.

К первому классу относятся процессы азотирования, низкотемпературного цианирования, сульфидирования и др. Необходимый комплекс свойств в поверхностных зонах материала в рассматриваемом случае достигается при этом в ходе самого диффузионного насыщения. Отмеченное реализуется либо за счет природных свойств новых фаз, либо за счет превращений (например, дисперсионное твердение) на стадии охлаждения после диффузионного насыщения, либо, наконец, за счет сочетания обоих факторов (например, при азотировании).

Второй класс включает такие процессы, при которых термическая обработка осуществляется после диффузионного насыщения. В этом варианте насыщение происходит при температурах выше критических точек. В связи с различием химического состава поверхностных и внутренних зон положение критических точек материала смещается, что обусловливает различный характер превращений в наружных и внутренних объемах при выбранном режиме термообработки.

Термическая обработка проводится при этом, в одних случаях, в целях придания высокой твердости поверхностной зоне, обогащенной тем или иным элементом (например, закалка цементированных изделий). В других случаях, основной задачей термической обработки является выравнивание концентрации по глубине диффузионного слоя или снижение внутренних напряжений (например, диффузионный отжиг алитированных изделий). И, наконец, в ряде случаев термическую обработку выполняют в целях упрочнения подложки - сердцевины (например, закалка хромированных, или борированных изделий).

Во многих случаях применение процессов второго класса требует выполнения дополнительных (промежуточных) операций термической обработки. Последние, в частности, необходимы, когда за счет высокой температуры нагрева стали для диффузионного насыщения имеет место значительное укрупнение зерна (с соответствующим повышением хрупкости стали). Для устранения указанного дефекта вводят дополнительные термические операции; отжиг, нормализацию, первичную закалку и другие.

Сопоставляя оба класса ХТО, следует подчеркнуть, что процессы первого класса обладают рядом преимуществ: возможностью диффузионного насыщения окончательно обработанных изделий, незначительным короблением и окислением поверхности в ходе обработки. К числу недостатков процессов ХТО первого класса следует отнести необходимость использования более дорогих легированных марок сталей, длительность процесса, малые глубины насыщенного слоя (например, при азотировании).

Очевидным преимуществом ХТО второго класса является возможность использования обычных дешевых малоуглеродистых сталей, а также меньшая продолжительность процесса. Наиболее типичные варианты технологического процесса химико-термической обработки схематически представлены, на рис. 1.