Сутність, призначення та основні процеси, що відбуваються при хіміко-термічній обробці сталі

Тема 8. ХІМІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ

Хіміко-термічною обробкою (ХТО) називають технологічний процес дифузійного насичення поверхневого шару деталей різними елементами. Різні види хіміко-термічної обробки застосовують для підвищення поверхневої твердості, контактної витривалості, стійкості до зношення, опору втомленості, а також для захисту від хімічної, електрохімічної та газової корозії.

При ХТО деталь розміщують у середовищі з високим вмістом елемента, який дифундує у метал. Процес насичення поверхневого шару металу цим елементом складається з трьох етапів.

На першому етапі відбуваються хімічні реакції у середовищі, в якому розміщена деталь, у результаті чого утворюються активні атоми елемента, який дифундує. Наприклад,

CH₄ → C_aт+2H₂; (8.1)

На другому етапі процесу відбувається абсорбція або хемосорбція активних атомів поверхнею металу, в результаті чого дуже тонкий поверхневий шар насичується дифундуючим елементом, тобто відбувається процес абсорбції. Цей процес можливий тільки тоді, коли дифундуючий елемент здатний розчинятися в матеріалі деталі або утворювати з ним хімічні сполуки.

Третій етап – дифузійне проникнення елемента вглиб металу, що супроводжується утворенням твердих розчинів чи фазовою перекристалізацією. У результаті утворюється дифузійний шар зі змінною концентрацією дифундуючого елементу по перерізу (рис. 8.1).

Рис.8.1. Зміна концентрації дифундуючого елементу по переризу деталі: y – товщина дифузійного шару

Найбільш повільною ланкою ХТО є третій етап, тобто дифузійна стадія, коли формується структура і властивості поверхневого шару деталі.

Результати ХТО визначаються товщиною дифузійного шару та концентрацією насичуючого елементу у поверхневому шарі, а основними її технологічними параметрами є склад насичуючого середовища, температура та тривалість процесу.

Склад насичуючого середовища та температура визначають швидкість дисоціації сполук і утворення насичуючого елементу в атомарному вигляді. Температура, крім того, визначає швидкість дифузії насичуючого елемента в металі, яка залежить від коефіцієнту дифузії D.

Залежність коефіцієнта D від температури виражається рівнянням (8.2) і графіком (рис. 8.2).

; (8.2)

де A - коефіцієнт, який залежить від типу кристалічної гратки металу, що насичується; Q- енергія активації процесу дифузії; R- газова постійна; T- абсолютна температура.

Рис.8.2. Графік залежності коефіцієнта дифузії D від температури Т

Графік (рис. 8.2) показує, що коефіцієнт дифузії D зростає з підвищенням температури і, відповідно, тривалість ХТО суттєво залежить від температури процесу.

Тривалість процесу ХТО визначається потрібною товщиною дифузійного шару. При постійних параметрах процесу (температура, склад насичуючого середовища) збільшення товщини шару в часі підкоряється параболічному закону:

; (8.3)

Найбільш інтенсивно товщина дифузійного шару зростає на початку ХТО.

Рис.8.3.Графік залежності товщини дифузійного шару від тривалості процеса ХТО

Товщина дифузійного шару залежить також від характеру твердого розчину, що утворюється, складу оброблюваного металу і концентрації дифундуючого елементу на поверхні деталі. Чим вища його концентрація елементу на поверхні, тим більша товщина шару при даній температурі та тривалості процесу насичення. Швидкість дифузії атомів насичуючого елементу, який утворює з оброблюваним металом тверді розчини проникнення, значно вища, ніж при утворенні твердого розчину заміщення. Тому при насиченні сталі металами (Cr, Al, Si тощо), які утворюють із залізом тверді розчини заміщення, процес проводять при вищих температурах і більш тривалий час. При цьому отримують меншу товщину дифузійного шару, ніж при насиченні азотом і вуглецем, які утворюють із залізом тверді розчини проникнення. Дифузія елементів у гратці Fe_α відбувається легше, ніж у гратці Fe_γ, адже γ-залізо щільніше упаковане.

В залежності від насичуючого елементу хіміко-термічну обробку сталі поділяють на такі види: цементація, азотування, ціанування (нітроцементація), дифузійне насичення сталі металами і неметалами.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Термомеханічна обробка (ТМО) сталі	\|	Цементація сталі

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.