Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

   Окончательная – формирует свойство готового изделия.   

   2.6 Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении 

   Любая разновидность термической обработки  состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат  стремления системы к минимуму свободной  энергии.

   

   Зависимость свободной энергии структурных  составляющих сталей от температуры: аустенита (F_A), мартенсита (F_M), перлита (F_П)  

   1. Превращение перлита в аустенит  , происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

   

   2. Превращение аустенита в перлит , происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит:

   

   3. Превращение аустенита в мартенсит , происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

   

   4. Превращение мартенсита в перлит  ; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

     
 

3.ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

    Химико-термической  обработкой (ХТО) называется термическая  обработка, заключающаяся в сочетании  термического и химического воздействия  с целью изменения состава, структуры  и свойств поверхностного слоя стали, такие как: цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, борирование, силицирование, диффузионная металлизация стали и др.

    Химико-термическая  обработка является одним из наиболее распространенных видов обработки  материалов с целью придания им эксплуатационных свойств. Наиболее широко используются методы насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом как  порознь, так и совместно. Это процессы цементации (науглероживания) поверхности, азотирования — насыщения поверхности стали азотом, нитроцементации и цианирования — совместного введения в поверхностные слои стали углерода и азота. Насыщение поверхностных слоев стали иными элементами (хромом — диффузионное хромирование, бором — борирование, кремнием — силицирование и алюминием — алитирование) применяются значительно реже.

    Процесс химико-термической обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который  включает в себя три последовательные стадии:

    1. Образование активных атомов  в насыщающей среде вблизи  поверхности или непосредственно  на поверхности металла. Мощность  диффузионного потока, т. е. количество  образующихся в единицу времени  активных атомов, зависит от состава  и агрегатного состояния насыщающей  среды, которая может быть твердой,  жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, температуры, давления и химического состава стали.

    2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся  активных атомов поверхностью  насыщения. Адсорбция является  сложным процессом, который протекает  на поверхности насыщения нестационарным  образом. Различают физическую (обратимую)  адсорбцию и химическую адсорбцию  (хемосорбцию). При химико-термической  обработке эти типы адсорбции  накладываются друг на друга.  Физическая адсорбция приводит  к сцеплению адсорбированных  атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

    3. Диффузия — перемещение адсорбированных  атомов в решетке обрабатываемого  металла. Процесс диффузии возможен  только при наличии растворимости  диффундирующего элемента в обрабатываемом  материале и достаточно высокой  температуре, обеспечивающей энергию  необходимую для протекания процесса.

    Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя

Рис.1

Глубина диффузионного  слоя в зависимости от продолжительности  процесса и температуры

 
 
 
 
 

3.1. Цементация

    Под цементацией принято понимать процесс  высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как  углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930–950 °С — т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. Обычно применяется закалка с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико-термической обработки или после подстуживания до 800–850 °С и повторного нагрева выше точки АС3 центральной (нецементованной) части изделия. После закалки следует отпуск при температурах 160–180 °С.

    Цементация  как процесс химико-термической  обработки, в основном, применяется  для низкоуглеродистых сталей типа Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др., однако в ряде случаев может быть использована при обработке шарикоподшипников — стали ШХ15, 7Х3 и коррозионностойких сталей типа 10Х13, 20Х13 и т. д. Стали, рекомендуемые для цементации, должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементованного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердостей, который составляет 30–43 HRCЭ. Учитывая длительность процесса цементации и высокую температуру процесса, рекомендуется при этом виде химико-термической обработки использовать наследственно мелкозернистые стали, размер зерна которых не должен превышать 6–8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств.

    Цементация  производится в углероднасыщенных твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами.

    При твердофазной цементации процесс ведут  следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики таким образом, чтобы их объем, в зависимости от сложности конструкции детали, занимал от 15 до 30 % объема цементационного ящика. Ящики загружают в печь, нагретую до температур от 600–700 °С и нагревают до температуры цементации — 930–950 °С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи — охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе. К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся: невозможность регулирования степени насыщения и невозможность проведения закалки непосредственно после цементации, дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п. Однако простота метода, возможность проводить процесс на стандартном печном оборудовании без установки дополнительных устройств делают этот метод весьма распространенным в условиях мелкосерийного производства в ремонтных цехах и на участках крупных предприятий. Цементация в жидкофазном карбюризаторе применяется для мелких деталей. К недостаткам этого процесса относятся неравномерность глубины цементованного слоя и необходимость частых регенераций углероднасыщенного расплава. В случае серийного и крупносерийного производства цементованных изделий наибольшее распространение получила цементация в газообразных карбюризаторах. Этот метод обеспечивает наибольшую равномерность по толщине и свойствам цементованного слоя, снижает время, затрачиваемое на процесс химико-термической обработки, а в ряде случаев позволяет производить закалку изделий непосредственно после цементации. В последнее время получил распространение процесс вакуумной цементации. Печи для вакуумной цементации состоят из нагревательной камеры, снабженной вентилятором для обеспечения интенсивной циркуляции воздуха, закалочного бака и транспортных устройств. Подготовленные для вакуумной цементации детали помещают в нагревательную печь, вакуумируют и нагревают до 1000–1100 °С, затем в печь подается газообразный карбюризатор — очищенный природный газ, пропан или бутан. Этот метод позволяет ускорить процесс цементации, повысить качество получаемого слоя.

    Качество  процесса цементации оценивается по эффективной толщине цементованного слоя, которая определяется по одному из двух показателей — твердости или структуре слоя. Структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из нескольких зон: поверхностной — заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной — перлитной и доэвтектоидной — перлитоферритной. Эффективную толщину цементованного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличениях от 100 до 500 раз.

    В случае, когда за критерий оценки толщины  цементованного слоя принимается твердость или микротвердость после цементации, то оценка ведется на термически обработанных образцах, а за конец цементованного слоя принимается зона с твердостью 50 HRCЭ или 540–600 Н

3.2 Азотирование

 

    Под азотированием подразумевается  процесс диффузионного насыщения  поверхностного слоя стального изделия  или детали азотом при нагреве  в соответствующей среде. Целью  азотирования являются повышение твердости  поверхности изделия, выносливости и износостойкости, стойкости к  появлению задиров и кавитационным воздействиям, повышение коррозионной стойкости в водных средах и атмосфере.

    Азотированию  подвергаются самые разнообразные  по составу и назначению стали  — конструкционные и инструментальные, жаропрочные и коррозионностойкие, спеченные порошковые стали, а также ряд тугоплавких материалов (табл. 2).

    Азотирование  проводится при температурах значительно  ниже температур цементации и температур фазовых превращений, поэтому иногда этот процесс называют низкотемпературной химико-термической обработкой или  низкотемпературным азотированном. Температура процесса азотирования обычно не превышает 600 °С. Однако следует отметить, что в последние годы все большее распространение получает процесс высокотемпературного азотирования (600–1200 °С). Этот процесс применяют для насыщения азотом поверхностей деталей из ферритных и аустенитных сталей, ряда тугоплавких металлов — титана, молибдена, ниобия, ванадия и т. д.  
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 2. Составы  основных насыщающих сред и режимы

химико-термической  обработки при азотировании

Примечание: 

*1 Процесс кратковременного  азотирования при 570 °С — вместо жидкого азотирования. Разбавление аммиака азотом уменьшает хрупкость слоя.

*2 Применение  эндогаза при температурах ниже 700 °С — взрывоопасно. Требуется принятие специальных защитных мер.

*3 Степень диссоциации  аммиака — 30–60 %.

*4 Антикоррозийному  азотированию подвергают изделия,  изготовленные из углеродистых  сталей, работающих в условиях  атмосферной коррозии. 

    Процесс низкотемпературного азотирования проводят, в основном, в газовых  средах — смеси азота и аммиака, диссоциированного аммиака и т. д. Для активизации процесса в насыщающую среду могут быть введены кислород или воздух. Достаточно широкое применение нашли среды, где азот-насыщенные среды дополняются углероднасыщенными, — то есть среды, где кроме диссоциированного аммиака присутствуют природный или светильный газ, эндогаз, пары спирта или керосина и т. п. 

    Для азотирования в жидких средах, которое  также называют «мягким азотированием» или «тенифер-процессом» применяют расплавы цианид-цианатных солей или ванны на основе карбамида. Однако жидкое азотирование не получило широкого распространения из-за токсичности процесса, высокой стоимости используемого оборудования и используется, в основном, для обработки инструментов из быстрорежущих или высоколегированных инструментальных сталей. Подогретые инструменты выдерживают в ванне при 530–560 °С в течение 10–100 мин — в зависимости от типа инструмента, а затем охлаждают на воздухе. Необходимо строго следить за химическим составом насыщающего состава, так как полная азотирующая способность ванны устанавливается только в том случае, когда содержание цианатов составляет около 40 % от начального содержания в расплаве цианидов.

    Термическая обработка инструментальных сталей после азотирования производится по следующему режиму: закалка с температур 1000–1050 °С и затем, для повышения ударной вязкости, первый отпуск выполняется при температуре 350 °С, а последующие — при 560 °С. 
 

    3.3. Нитроцементация и цианирование стали

 

    Нитроцементация или цианирование стали — процессы химико-термической обработки, заключающиеся в высокотемпературном насыщении поверхности изделия азотом и углеродом. Причем процесс совместного насыщения поверхности азотом и углеродом в жидких ваннах принято называть цианированием, а насыщение в газообразных средах — нитроцементацией,