Химико-термическая обработка металлов

Лахтин Ю. М., Арзамасов Б. Н.

Металлургия, 1985 г.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ   МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1. Общая характеристика химико-термической обработки

Химико-термическая обработка (ХТО) сочетает термическое и химическое воздействия с целью изменения химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла или сплава. На рис. 1 приведена схема общей классификации различных видов химико-термической обработкиМЕТАЛЛОВ и сплавов *. Химико-термическая обработка осуществляется в результате диффузионного насыщения металла или сплава неметаллами (С, N, В и др.) или металлами (Al, Сг, Znи др.) при определенной температуре в активной насыщающей среде.

Для повышения долговечности наиболее ответственных деталей машин широко используются процессыцементации (науглероживания), нитроцементации и азотирования. Несколько в меньшей степени применяется поверхностное насыщение бором, кремнием и металлами. Примером могут служить детали автомобилей, тракторов, станков, сельскохозяйственных, текстильных и других машин, подвергаемых цементации, нитроцементации и азотированию. Большинство деталей машинработает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких][температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. Химико-термическая обработка, повышая твердость, износостойкость, задиростойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность машин.

Основные методы насыщения, применяемые при ХТО, приведены ниже:

1. Насыщение из порошковых смесей {порошковый метод).Этот метод благодаря простоте технологического процесса нашел применение в мелкосерийном и серийном производстве для цементации, алитирования (алюминирования), хромирования и т. Д.

2. Прямоточный и циркуляционный методы диффузионного насыщения из газовых сред. Прямоточный газовый метод позволяет регулировать активность насыщающей атмосферы (потенциал атмосферы), широко применяется в крупносерийном и серийном производстве для цементации, нитроцементации и азотирования. Газовый метод обеспечивает высокое качество диффузионного слоя и поверхности обрабатываемого изделия. Циркуляционный метод находит все более широкое применение при насыщении металлами и кремнием.

3. Диффузионное насыщение из расплавовМЕТАЛЛОВ или солей, содержащих диффундирующий элемент (с электролизом и без применения электролиза). Жидкий метод позволяет сократить длительность технологического процесса, однако не всегда обеспечивает высокое качество поверхности и стабильность толщины диффузионного слоя. Применяется в серийном производстве.

4. Насыщение из паст и суспензий (шликерный способ). Эти методы не нашли широкого распространения, так как не всегда обеспечивают получение равномерной толщины покрытия и высокого качества диффузионного слоя. Однако насыщение из паст может быть рекомендовано для местного упрочненияповерхности и при обработке крупногабаритных деталей.

5. Диффузионное насыщение с использованием вакуума. Насыщение осуществляется из сублимированной фазы испарением диффундирующего элемента при высоких температурах в вакууме. Обрабатываемые изделия могут находиться в контакте с порошковой смесью, содержащей диффундирующий элемент или располагаться на расстоянии от нее. Насыщение в вакууме — перспективный метод ХТО.

Выбор того или иного способа насыщения осуществляется в соответствии с видом производства, габаритами обрабатываемого изделия, требуемой толщиной слоя и т. д. Процесс ХТО является гетерогенным, т. е. происходящим в различных соприкасающихся фазах, отделенных друг от друга поверхностью раздела. Гетерогенные процессы протекают многостадийно. ХТО включает три основные взаимосвязанные стадии:

1. Реакции в насыщающей среде — на этой стадии массопереноса следует различать два процесса: образование активных атомов в насыщающей среде и диффузию их к поверхности обрабатываемого металла.

2. Реакции на границе фаз — адсорбция (хемосорбция) образовавшихся активных атомовповерхностью насыщения. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами насыщающего элемента и обрабатываемой поверхностью, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов внутри металла; по мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности вглубь обрабатываемого металла (сплава). Процесс возможен только при условиирастворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

Приток активных атомов к поверхности насыщения должен превышать число атомов, отводимых от поверхности вглубь в результате диффузии. В тех случаях, когда Процесс протекает многостадийно, его суммарная скорость определяется скоростью наиболее медленной стадии, которая является контролирующей. При протекании процессов ХТО в большинстве случаев скоростьпроцесса контролируется диффузией. Все факторы, ускоряющие Процессдиффузии (повышение температуры и градиента концентрации, структурныедефекты и т. д.), сокращают длительность технологического процесса ХТО.

Известны и способыинтенсификациипроцессов ХТО за счет ускорения процессов, протекающих в насыщающей среде, и адсорбции диффундирующего элемента. Однако в этом случае эффект ускорения химико-термической обработки не велик ¹.

Концентрация диффундирующего элемента на поверхности зависит от соотношения скоростейподачи диффундирующего элемента к поверхности и отвода его вглубь. Концентрация элемента на поверхности, следовательно, зависит от активности насыщающей среды (потенциала атмосферы) и от скоростидиффузииатомов с поверхности в глубь металла: чем больше активность -насыщающей атмосферы (подача активных атомов) и ниже скорость диффузии, тем выше С₀. Однако при чрезмерно высокой скоростиподачиатомов из насыщающей атмосферы возможно выделение на обрабатываемой поверхности диффундирующего элемента (например, сажи при цементации, хрома при хромировании), что препятствует дальнейшему насыщению и снижает скорость ХТО.

Развитие процессадиффузииприводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу в результате ХТО (рис. 2). Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности в глубь металла (рис. 2). Естественно, что изменение химического составаприводит к изменению структуры и свойств диффузионного слоя.

Распределение концентрации по толщине диффузионного слоя (рис. 2) определяют методами послойного химического, спектрального, рентгеноспектрального анализа или измерением характеристик, зависящих от концентрации (микротвердости, внутреннего трения и др.).

Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием насыщающей активной среды, называют сердцевиной. Кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до сердцевины составляет общую толщину диффузионного слоя. При контроле химико-термической обработки чаще пользуются эффективной толщиной диффузионного слоя, под которой понимают .кратчайшее расстояние от поверхности насыщения до мерного участка, характеризуемого установленным предельным номинальным значением базового параметра¹.

Под базовым параметром диффузионного слоя понимают параметр материала, служащий в данном испытании критерием изменения качества в зависимости от расстояния от поверхности насыщения. В качестве базового параметра принимают или концентрацию диффундирующего элемента, или свойства (твердость и др.), или структурный признак (рис. 2). Прилегающую к сердцевине внутреннюю часть диффузионного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной толщин, называют переходной зоной диффузионного слоя. Под зоной диффузионного слоя понимают часть диффузионного слоя, обладающую одинаковыми признаками, отличными от признаков смежных частей, например одинаковой структурой (структурная зона диффузионного слоя). Зону диффузионного слоя, расположенную непосредственно под поверхностью насыщения, называют внешней зоной диффузионного слоя.

Диффузионный слой и его качество характеризуют следующие параметры: фазовый состав и структура, толщина общая или эффективная; распределение по толщине слоя концентрации диффундирующего элемента, поверхностнаятвердость и распределение ее по толщине слоя; поверхностнаяхрупкость (способность к хрупкому разрушению под действием локальной нагрузки), однородность, сплошность и равномерность распределения по конфигурации изделия (конфигурационный эффект) диффузионного слоя, прокаливаемость и закаливаемость слоя (в случае цементации).