22

Лекция 19. Технологические процессы формирования заданных физико-механических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев. Химико-термическая обработка металлов и сплавов.

1. Общие закономерности.

В процессе эксплуатации наиболее интенсивно подвергаются температурно-силовым воздействиям поверхностные слои деталей и инструмента, поэтому структура и свойства поверхностных слоев оказывает важное влияние на их работоспособность. С этой точки зрения представляет интерес повышение износостойкости деталей машин и инструмента методами химико-термической обработки

Химико-термической обработкой (ХТО) называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами. При этом изменяется химический состав, микроструктура и свойства поверхностного слоя материала.

Изменение химического состава поверхностных слоев происходит в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной и плазменной), в которой реализуется нагрев. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура. Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и время выдержки. В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающегося элемента. Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Цель: повышение твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии.

Различают три стадии ХТО:

 На первой стадии протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы в ионизированном состоянии.

 На второй стадии процесса они усваиваются насыщаемой поверхностью металла – происходит адсорбция (лат. Поглощение вещества из раствора или газа поверхностным слоем жидкости или твѐрдого тела) диффундирующих элементов, в результате чего тончайший поверхностный слой насыщается диффундирующим элементом (абсорбция – тоже поглощение, но в отличие от адсорбции происходит во всѐм объѐме поглотителя), возникает градиент концентрации – движущая сила для следующей стадии процесса.

 Третья стадия – диффузионное проникновение элементов в глубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твѐрдых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Третья стадия определяет скорость процесса ХТО. Толщина диффузионного слоя при постоянной температуре и времени выдержки процесса диффузии тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на насыщаемой поверхности.

Существует множество способов ХТО, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред.

Виды химико-термической обработки

Методами химико-термической обработки металлов достигается изменение свойств поверхности, обеспечивается поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, теплостойкости и т. д.), а также повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмосферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости, жаростойкости, окалиностойкости и т. д.).

Из методов химико-термической обработки наиболее распространены методы насыщения поверхности металлических изделий неметаллами.

Такими неметаллами являются углерод, азот, бор, сера. Поэтому способы химико-термической обработки металлов и сплавов получили следующие названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование, сульфидирование. Насыщение может проводиться одним неметаллом, комплексно двумя или тремя неметаллами.

Насыщение металлами включает следующие процессы: алитирование (насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом), силицирование (насыщение поверхности кремнием).

Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в химически активной среде, содержащей насыщающий компонент. В результате нагрева во внешней среде образуется насыщающий элемент в атомарной форме, он адсорбируется насыщаемой поверхностью и диффундирует в глубь изделия, приводя к его упрочнению.