11.1.5. Процессы химико-термической обработки

Химико-термическая обработка (ХТО)– изменение химического состава в поверхностных слоях металла (с последующим изменением микроструктуры) под воздействием внешних сред и температуры и, как следствие этого, получение определенных физико-механических свойств поверхности и сердцевины во взаимодействии.

Химико-термическая обработка применяется с целью повышения предела выносливости конструкционной стали при циклических нагрузках (табл. 11.18, 11.19), повышения износоустойчивости трущихся поверхностей деталей и с целью противодействия влиянию внешних сред при нормальной и высокой температуре (устойчивость против коррозии и жаростойкость).

Таблица 11.17

Влияние низкотемпературной обработки (t = -183 °С) на механические

свойства и износоустойчивость некоторых марок легированной стали

Марка стали	Механические свойства*										Увеличение Износоустойчивости, %
	До низкотемпературной обработки					После низкотемпературной Обработки
	Qbu , кг/мм2	Стрела прогиба, мм	KCU, Дж/см2	HRC	Величина износа, мм3	Qbu , кг/мм2	Стрела прогиба, мм	KCU, Дж/см2	HRC	Величина износа, мм3
12Х2Н4А 18ХГТ 18ХНМА 18ХГМ	222 252 257 202	2,6 2,95 4,07 2,4	150 33 103 34	58-59 57-53 46-50 58-60	5,75 2,85 3,85 3,90	191 230 186 177	2,2 2,75 2,90 1,68	128 24 71 18	58-64 60-63 60-61 60-61	3,99 2,38 2,38 2,45	32 16 38 37
*Образцы размером 1010120 мм подвергались газовой цементации на глубину 1,5 мм с последующей непосредственной закалкой и низким отпуском при температуре 150 °С.

Таблица 11.18

Предел выносливости при изгибе планированных, цементованных

и азотированных образцов Ø 10 мм

Марка стали	Термическая обработка образцов			σ -1 , кг/мм2	HRA
	Режим	τ, час	δ, мм
10	З; О Ц, 900 °С Ц нр, 820 °С Ц нр, 820 °С Ц нр, 850°С	- 4 0,25 1 2,5	- 0,36 0,08 0,18 0,52	25,2 43,2 38,8 45,3 45,8	- 80 - 81 74 78 80 - 82
12ХН3А	З; 830 °С Он, 150-170 °С Ц нр, 850 °С Ц нр, 850 °С Ц нр, 860 °С	- - 0,33 1 2	- - 0,15 0,33 0,50	40-42 - 46 54 64	- - 78-80 80-81 82-83
38ХМЮА	З, О Аз, 540 °С Лз, 540 °С	- 15 25	- 0,15 0,32	48-49 60 62	- 80-81 80-81

Любой из процессов химико-термической обработки осуществляется при взаимодействии внешних газов или жидких сред с поверхностью металла при абсорбции и диффузии активного элемента в атомарном состоянии в глубь металла. Комплексное рассмотрение явлений, протекающих во внешней среде, на поверхности и внутри металла является научно обоснованным методом изучения процесса и нахождения путей его интенсификации при взаимодействии на явления, протекающие с наименьшей скоростью и тормозящие тем самым развития процесса в целом.

Таблица 11.19

Влияние химико-термической обработки на предел выносливости

хромоникельмолибденовой стали

σв кг\мм2	Форма образца	Напряженное состояние	Кσ или Кτ	Химико-термическая обработка		Предел вынос­ливости, кг\мм*		Коэффициент повы­шения предела вынос­ливо­сти
				Вид	δ, мм	без обра­ботки	после обра­ботки
127-130	Круглый, гладкий, Ø14 мм	Изгиб Кручение	1,0 1,0	Цементация*	0,2 0,2	62 25	70 31,5	1,13 1.26
127-130	То же с поперечным отверстием Ø2 мм	Изгиб Кручение	1,82 2,08	Цементация* после сверле­ния отверстия	0,2-0,3 0,2-0,3	34 12	44 29	1,29 2,41
70-120	Круглый гладкий, Ø7,5-14 мм	Изгиб	1,0	Азотирование	0,2-0,8	—	—	1,2-1,5
70-120	Круглый обработан­ный, 5 мм с тре­угольным надре­зом глубиной 0,3 мм и углом при вершине 60°	Растяжение	1,6	Азотирование	0,35-0,5	21,5 54,0 2,5 (влияние надреза пол­ностью скомпенсиро­вано)
70-120	Круглый, 10 мм с надрезом, профиль которого совпадает с профилем метри­ческой нарезки 10 мм	Изгиб	3,06	Азотирование	0,35-0,5	12,5 50,25 4,0 (влияние надреза пол­ностью скомпенсиро­вано)
*После цементации — закалка и низкий отпуск.

Аналитическими и экспериментальными следованиями установлена приемлемость законов Фика к случаю диффузии различных элементов в твердых растворах:

где D - коэффициент диффузии в см²/сек (см²\24 часа);

Q – теплота диффузии, R – газовая постоянная (R=1,987), δ – межатомное расстояние металла, в котором происходит диффузия, N – число Авогадро, n – постоянная Планка, A – коэффициент;

(см. рис. 11.12).

Из первого закона Фика вытекает параболическая зависимость глубины слоя х в мм от продолжительности процесса τ в час:

.

Решение этого уравнения приводит к выражению:

C₀ – начальное содержание в стали диффундирующего элемента, С_х – содержание диффундирующего элемента на глубине х от поверхности, С_f – содержание диффундирующего элемента в поверхностной тонкой зоне,

интеграл Гаусса (рис. 11.10), по значению которого на основании послойного химического анализа определяется коэффициент диффузии D элемента.