Основные физико-химические процессы, протекающие при хто

Процесс химико-термической обработки осуществляется путем помещения изделия в среду, богатую элементом, которым производится насыщение. В качестве насыщающих сред применяются газообразные, твердые и жидкие вещества.

а	б
Рис. 1. Типичные варианты технологического процесса ХТО а – однократная закалка после цементации; б – двойная закалка после цементации. I – цементация; II – закалка; III – низкий отпуск

Наиболее эффективен (по скорости) процесс насыщения • в газовой среде (СО, NН₃ и др.).

Активность твердых веществ невелика. Для ускорения насыщения обычно в твердую шихту добавляют ускорители - активизаторы, например, NH₄CI, HC1 и др. Последние, взаимодействуя с твердыми компонентами, образуют активную газовую среду. Таким образом, насыщение в твердых компонентах превращается в насыщение в газовой среде.

При обработке в жидкой среде насыщение происходит за счет элементов, выделяющихся в атомарном состоянии в результате протекания в расплаве химических реакций или электролиза расплава.

Для диффузионного насыщения должны одновременно протекать три основных процесса: диссоциация, адсорбция, диффузия.

Процесс диссоциации заключается в распаде молекул насыщающей среды с образованием активных атомов диффундирующего элемента. Процесс адсорбции (поглощения) проявляется во взаимодействии активных атомов с атомами металла поверхностного слоя обрабатываемого изделия. Адсорбция протекает либо путем внедрения атомов насыщающего элемента в кристаллическую решетку с образованием твердых растворов, либо путем протекания химических реакций. Наконец, за счет процесса диффузии реализуется механизм переноса адсорбированных поверхностью активных атомов в глубь изделия.

Результаты химико-термической обработки в целом зависят от интенсивности протекания всех трех стадий процесса.

Толщина диффузионного слоя, изменение концентрации насыщающего элемента и фазового состава по его глубине определяются сочетанием ряда технологических факторов. К важнейшим из них следует отнести: активность среды (степень диссоциации), температуру процесса, парциальное давление, продолжительность обработки. На результаты диффузионного насыщения заметное влияние оказывает также исходный химический состав стали и структурное состояние, сродство легирующих элементов, присутствующих в стали, по отношению к насыщающему элементу, степень искажений кристаллического строения и другие.

Типовые методы хто

Процессы химико-термической обработки отличаются большим многообразием. В настоящей работе рассматривается микроструктура стали после наиболее распространенных методов ХТО: цементации, азотирования и алитирования. Перечисленные процессы различны по назначении и относятся к разным классам химико-термической обработки. Их изучение облегчает рассмотрение других видов химико-термической обработки, аналогичных по назначению и входящих в один и тот же класс, согласно принятой выше классификации.

Процесс цементации заключается в насыщении стали углеродом. Основной задачей процесса является придание деталям машин поверхностной высокой твердости и соответственно увеличение износостойкости и предела усталости. При этом сердцевина детали остается достаточно вязкой, что обеспечивает повышенное сопротивление изделия ударным и знакопеременным нагрузкам.

Цементации подвергают втулки, поршневые кольца, валы, шестерни и т. п. Для цементации используют малоуглеродистые стали марок 10, 15, 20 или малоуглеродистые легированные стали, например, 18ХНВА, 18Х2Н4ВА, 12ХНЗА и другие.

Наиболее прогрессивным (по производительности, культуре производства, качественным показателям) является процесс газовой цементации. В качестве цементирующей среды используется окись углерода (СО), группа углеводородов (например, метан СН₄ и другие). При диссоциации газообразных молекул выделяется углерод в атомарном виде (С_ат):

2CO  CO₂ + С_ат

CH₄  2H₂ + С_ат

Для цементации в твердой среде используют карбюризатор: смесь древесного угля с углекислым барием или углекислым кальцием. В этом случае С_ат образуется в результате ряда химических реакций:

BaCO₃  BaO + CO₂

CO2 + C_угля  2CO

2CO  CO₂ + С_ат

Практически, при отсутствии углекислых солей не удается получить достаточную глубину диффузионного слоя и благоприятное сочетание структуры и механических свойств.

Процесс насыщения стали углеродом осуществляется при высоких температурах  880 - 1000°С (выше Ас₃), что обусловлено необходимостью перевода стали в аустенитное состояние, при котором возможно достижение высокой концентрации углерода до 0,8—1,0% (растворимость углерода в феррите, как известно, не превышает 0,02%). Для получения диффузионного слоя толщиной 0,9 — 1,0 мм при газовой цементации требуется 5—7 часов, при цементации в твердой среде — в полтора раза больше.

Микроструктура поверхностного (обогащен­ного углеродом) слоя (рис. 2) по мере удаления от поверхности изменяется в соответствии с диаграммой состояния Fe—Fe₃С.

В цементованном слое можно выделить три зоны:

1) заэвтектоидную (примыкающую к поверхности) со структурой перлита и вторичного цементита;

2) эвтектоидную (структура перлита);

3) переходную (перлито-ферритная), которая постепенно, по мере удаления от поверхности, переходит в исходную (матричную) структуру.

	3
Рис. 2. Микроструктура цементованного слоя низкоуглеродистой стали: 1 – заэвтектоидная зона; 2 - эвтектоидная зона; 3 – доэвтектоидная зона

Зависимость структуры цементованного слоя от глубины и исходной стали представлена на рис. 3.

Рис. 3. Изменение содержания углерода и структуры по толщине цементованного слоя:

t_ц – температура цементации;

t_зI – температура нагрева при первой закалке;

t_цII – температура нагрева при второй закалке

Глубина цементованного слоя контролируется по свидетелю непосредственно после насыщения углеродом (до термической обработки). При этом за общую толщину цементованного слоя (6-слоя) принимают сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и 50% переходной зон:

.