Выявление макроструктуры изделия

Рис. 4 Макроструктура болта.

На рис.4 показана макроструктура двух болтов, полученных из различных заготовок. На рис.1а показана макроструктура болта, полученного горячей штамповкой, а на рис.1б макроструктура болта, полученного путем ме-ханической обработки проката. Из рис.1а видно, что макроструктура болта имеет так называемую полосчатую структуру, состоящую из чере- дующихся ферритных и перлитных полос, расположен- ных в направлении течения металла при горячей его обработки. Полосчатая структура приводит к анизотро- пии свойств, т.е. механические свойства металла, напри- мер, ударная вязкость, предел прочности и др. оказыва- ются выше вдоль волокон и ниже поперек. Это свойство полосчатой структуры широко используют в промыш- ленности для изготовления тяжело нагруженных деталей, таких, например, как коленчатые валы, крышки гидроци- линдров, валы с фланцами, шатуны, клапаны, паровые котлы и др. Из рис.1б видно, что этот болт получен путем реза- ния из проката, так как “волокна” структуры разрезаны. Болт с такой макроструктурой имеет меньшую прочность 2 ность на разрыв по сравненю с первым. Опасность его разрушения в процессе эксплуатации будет выше, чем у болта с “правильной” макроструктурой. Для выявления полосчатой макроструктуры макро- шлиф травят реактивом, состоящим из 85 г хлори- стой меди CuCl2 , 53 г хлористого аммония NH4Cl и 1000 мл воды. При погружении макрошлифа в реактив на 30…60 с происходит реакция, при которой железо вы- тесняет медь из раствора и она оседает на ферритных участках (полосах) макрошлифа. После выдержки мак- рошлифа в реактиве образовавшийся на поверхности образца медный налет снимают ватой под струей воды и сушат образец фильтровальной бумагой для предот- вращения окисления на воздухе.. Обычно после этого полосчатость структуры выявляется достаточно четко.

Химико-термическая обработка металлов

Химико-термическая обработка металлов - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют насыщающими элементами или компонентами насыщения. В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя. Классификация процессов химико-термической обработки В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико- термической обработки: • однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщениехромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием; • многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д. Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере. На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения) В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии. Массоперенос при химико-термической обработке При любом процессе ХТО в реакционной системе протекают определенные процессы и реакции. Условно весь процесс массопереноса (насыщения) при ХТО может быть представлен в виде пяти последовательно реализующихся стадий: 1. реакции в реакционной среде (образование компоненты, осуществляющей массоперенос диффундирующего элемента); 2. диффузия в реакционной среде (подвод насыщающего элемента к поверхности насыщаемого сплава; 3. процессы и реакции на границе раздела фаз (на насыщаемой поверхности); в ряде случаев - удаление продуктов реакций, протекающих на границе раздела фаз, в реакционную среду; 4. диффузия в насыщаемом сплаве; 5. реакции в насыщаемом сплаве (образование фаз диффузионного слоя: твердых растворов, химических соединений и т.д.). Но даже эта, довольно общая схема процесса диффузионного насыщения не описывает в полной мере всей сложности явлений, имеющих место при ХТО. Важнейшим условием образования диффузионного слоя (необходимым, но не достаточным) является существование растворимости диффундирующего элемента в насыщаемом металле при температуре химико-термической обработки. Диффузионные слои могут также образовывать элементы, имеющие при температуре процесса малую растворимость в насыщаемом металле, но образующие с ним химические соединения. Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав, то есть содержание тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя. Применение ХТО применяют с целью: • поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно- усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.); • сопротивления химической и электрохимической коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах; • придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.); • придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета); • облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.). Требуемые свойства диффузионных (поверхностных) слоев могут формироваться как в процессе химико-термической обработки (азотирование, хромирование, борирование и др.), так и при последующей термообработке (цементация, нитроцементация).