Химико-термическая обработка стали

Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:

 Диссоциация— выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ: 2СО ↔СО2 + С; 2NH3 ↔ ЗН2 + 2N и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.

 Абсорбция — захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитию процесса абсорбции способствует способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.

 Диффузия — проникновение насыщающего элемента вглубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Cr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.

 Поверхностный слой  детали, отличающийся от исходного  материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным  слоем с неизменившимся химическим  составом называется сердцевиной.

Азотирование стали

Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом.

 Целью азотирования  является создание поверхностного  слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью  и сопротивлением коррозии. Твердость  поверхностного слоя деталей  после азотирования достигает  HV 11000-12000.

  Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при 500—600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак.. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:

NH3→3H + N.

Активные атомы азота проникают в решетку α-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Cr, Mo, A1 твердость азотированного слоя по Вик-керсу достигает HV 1200, в то время, как после цементации и закалки твердость HV 900.

Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали.

 Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.

В процессе азотирования изменяются размеры деталей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше изменение размеров детали.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10—15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3— 0,6мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем при цементации и составляет всего 0,01 мм/ч и менее.

По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков. Преимуществами азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих закалке дефектов.

 Недостатками азотирования по сравнению с цементацией является более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, от которых требуется особо высокое качество поверхностного слоя.

 Азотирование применяют в машиностроении для изготовления мерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, втулок, коленчатых валов и др.

 

4.Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом(5,5%). С схематичной кривой медленного охлаждения от 1600 до 600 °C сплава с заданным содержанием углерода(5,5%).

Сплавы содержащие С < 2,14 % называются сталями, а сплавы содержащие С > 2,14 % - чугунами. Сплав железа с углеродом, содержащий 5,5%С, называется заэвтектическим чугуном. Свойства в большинстве определяются свойствами его основной фазовой составляющей – цементита. Твёрдость 450-800НВ , хрупок и практически не поддается обработке резанием. Является исходным материалом для получения ковких чугунов путём специального графитизирующего отжига.

 

Для того чтобы построить кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 600 ºС для железоуглеродистого сплава с содержанием углерода С=5,5%, на диаграмме состояния железо-углерод проведём вертикальную прямую соответствующую С=5,5% и обозначим на ней основные точки. Перенесём эти точки на диаграмму зависимости температуры от времени и, применяя правило фаз, построим кривую охлаждения

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где    С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

 

Рис.1  Диаграмма  железо-цементит с кривой медленного охлаждения с содержанием 5.5%С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структурные составляющие и фазы диаграммы

 Железо –  элемент VIII группы периодической  системы. Температура плавления 1539 ºС. Железо имеет две аллотропические модификации: α и γ. Модификация Fe α существует в двух интервалах температур: до 911 ºС и от 1392 до 1539 ºС и имеет ОЦК-решётку. Важной особенностью Fe α является его ферромагнетизм ниже температуры 768 ºС, называемой точкой Кюри.

 

Углерод – элемент IV группы периодической системы и существует в двух модификациях: графит и алмаз. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз, что используют при получении синтетических алмазов.

 

 Фазы в сплавах  железа с углеродом представляют  собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод  в виде графита.

 

Феррит – твёрдый раствор внедрения углерода в α-железо. Он имеет ОЦК-решётку, растворимость углерода в которой мала. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный δ-феррит с растворимостью углерода 0,1 %. Мягкая пластичная фаза, имеет следующие механические свойства: σв = 30 кгс/мм2, δ = 40 %, ψ = 70 %, 70-80 HB.

 

Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железо. Он имеет ГЦК-решётку, растворимость углерода в железе достигает 2,14 % при 1147ºС. При 727ºС распадается с образованием эвтектоидной феррито-цементитной – перлита. Аустенит пластичен, твёрдость 160-200 HB, парамагнитен.

 

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Он содержит 6,67 % углерода и имеет сложную ромбическую решётку. При нормальных условиях цементит твёрд (800НВ) и хрупок. Первичный цементит кристаллизуется из жидкости. Вторичный выделяется из аустенита при понижении температуры от 1147ºС до 727ºС. Третичный цементит выделяется из феррита при температуре ниже 727ºС. Температура плавления цементита точно не определена и принимается равной 1600 ºС.

 

Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Он имеет гексагональную кристаллическую решётку. Графит электропроводен, химически стоек, мало прочен, мягок, 3НВ.

 

Ледебурит – эвтектический сплав, имеет сотовое или пластичное строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит. Пластичный ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделённых аустенитом, и образующихся при быстром охлаждении.

 

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержание углерода в котором постоянно и равно 0,8 % углерода. НВ 150 – 250.

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита.

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Кристаллизация заэвтектических чугунов начинается в точке 1 выделением из

жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу - цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147°С содержит 4,3%С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES . При достижении температуры 727°С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит A → ФР +Ц и образуется видоизмененный ледебурит. При дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, аслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Лвид +Ц I +Ц II носит название ледебуритно-цементитного чугуна.

 

6. Марки и  назначение конструкционных материалов, приведенных в таблице.

10

30 Х

ХВСГ

Р12

АЧВ-2

ВК4

Л96

БрБ2

БН

 

Марка: 10

Сталь конструкционная, углеродистая, качественная, ГОСТ 1050-88.Содержит  0,1% (С)- углерод; примерно 0,25% (Si)- кремний; 0,45% (Mn)- марганец; до 0,3% (Ni)- никель; до 0,04% (S)- серы; до 0,035% (Р)- фосфор; до 0,15% (Cr)- хром; до 0,3% (Cu)- медь; до 0,08% (As)- мышьяк; имеет Sв 330МПа.

Применяется: штамповки, поковки, трубопроводы котлов высокого давления, и др. детали с весьма длительным сроком службы при температуре до 350 °С