ниразунипсих...
ой не тыц.......1.1. Химико-термическая обработка стали
Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, за¬ключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.
При химико-термической обработке (ХТО) происходит поверхностное на¬сыщение стали соответствующим элементом (С, N, А1, Сг, Si и др.) путем его диф¬фузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.
Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машинострое¬нии. Большое число деталей массового применения подвергается цементации (науглероживанию), нитроцементации (азотонауглероживанию) и азотированию. Примером могут служить среднеразмерные шестерни и другие многочисленные детали автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, металлорежущих станков, текстиль¬ных машин и т. д., упрочняемых цементацией, нитроцементацней или азотиро¬ванием. Меньшее применение получили процессы насыщения стали металлами (алитирование (алюминирование), хромирование и т. д.), а также борирование.
Широкое применение химико-термической обработки объясняется тем, что большинство деталей машин и механизмов работает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии (химической, электрохимической) при криоген¬ных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения воз¬никают в поверхностных слоях металла. Химико-термическая обработка, по¬вышая твердость поверхности, износостойкость, кавитационную и коррозион¬ную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.
Процесс химико-термической обработки является гетерогенным, т. е. проис¬ходящим в различных соприкасающихся фазах, отделенных друг от друга поверх¬ностью раздела.
Гетерогенные процессы обычно протекают многостадийно. Химико-термиче¬ская обработка включает 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, взаимодействия отдельных составляющих среды между собой, температуры, давления и состава стали. Активность среды в данных условиях однозначно определяется потенциалом атмо¬сферы.
2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке оба типа адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорб¬ция приводит только к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего эле¬мента (адсорбата) с обрабатываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию ван-дер-ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обра¬тимость процесса адсорбции (десорбция). При хемосорбции происходит взаимо¬действие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.
Адсорбция начинается прежде всего на тех участках поверхности, энергия которых максимальна. Адсорбированные атомы удерживаются на поверхности благодаря стремлению системы понизить запас свободной энергии. Адсорбция — всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Если химический потенциал диффундирующего элемента в насыщающей атмосфере выше, чем в обрабатываемом металле, адсорбированные атомы погло¬щаются обрабатываемым металлом, внедряясь в вакантные места решетки, в большом количестве имеющиеся на поверхности металла. Разность химических потенциалов ∆μ насыщающей среды μср и обрабатываемого металла μFe служит термодинамическим стимулом процесса химико-термической обработки ( ∆μ = μср - μFe).
Адсорбирующая способность обрабатываемой поверхности зависит от тем¬пературы, давления, состояния поверхности, природы металла и диффундирующего элемента и других факторов.
С повышением температуры константа скорости адсорбции уменьшается:
,
где n — число адсорбированных атомов; k — постоянная; Q — теплота адсорб¬ции.
С увеличением давления насыщающей среды количество адсорбированных атомов возрастает.
3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия). Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.
Указанные стадии процесса насыщения взаимосвязаны и влияют на кине¬тику химико-термической обработки, фазовый состав и структуру диффузионного слоя, а следовательно, на его свойства.
При химико-термической обработке приток активных атомов к, обрабатывае¬мой поверхности должен превышать количество атомов, отводимых от поверхности вглубь в результате диффузии.
Концентрация диффундирующего элемента на поверхности С0 зависит от соотношения скоростей подачи диффундирующего элемента к поверхности и отвода его вглубь. Концентрация элемента на поверхности следовательно зависит от активности насыщающей среды (потенциала атмосферы) и скорости диффузии атомов с поверхности в глубь металла.
Чем больше активность насыщающей атмосферы (подача активных атомов) и ниже скорость диффузии, тем выше С0. Однако при чрезмерно высокой ско¬рости подачи атомов из внешней среды возможно выделение на обрабатываемой поверхности диффундирующего элемента (например, сажи при цементации, хрома при хромировании и т. д.), что препятствует дальнейшему насыщению и снижает скорость химико-термической обработки.
Развитие процесса диффузии приводит к образованию в поверхностных слоях обрабатываемого металла диффузионной зоны, состоящей из твердых растворов или химических соединений.
Слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исход¬ного по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружа¬ющей активной среды, называют сердцевиной.
Под общей толщиной диффузионного слоя понимают кратчайшее расстоя¬ние от поверхности насыщения до сердцевины. Эффективной толщиной диффузион¬ного слоя называют часть общей толщины диффузионного слоя, которая опреде¬ляется кратчайшим расстоянием от поверхности насыщения до мерного участка, характеризуемого установленным предельным номинальным значением базового параметра (рис. 1). Прилегающая к сердцевине внутренняя часть диффузион¬ного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной ТОЛЩИН, получила название переходной зоны диффузионного слоя. Качественной и количественной характеристикой химико-термической обработки являются тол¬щина диффузионного слоя, распределение концентрации диффундирующего эле¬мента по толщине слоя, фазовый состав и свойства слоя (твердость, пластичность, сопротивление износу, коррозионная стойкость и т. д.). В зависимости от конкрет¬ных условии привлекается лишь необходимый набор контролируемых признаков.
Рисунок 1. Схема диффузионного слоя
П.З. - переходная зона диффузионного слоя; С. - сердцевина; d0 - общая толщина диффузионного слоя; dэ - эффективная тол¬щина диффузионного слоя; ап - значение базового параметра у поверхности; аэ - пре¬дельное значение базового параметра, уста¬новленное для эффективной толщины; ас - значение базового параметра сердцевины.
1.2. Цементация
1.2.1. Сущность цементации
Цементация — диффузионный процесс, при котором поверхностный слой мягкой стали насыщается углеродом. После закалки цементованной стали отчетливо различаются твердости поверхности и сердцевины. При некоторых способах цементации в карбюризатор вводят вещества, содержащие азот. До тех пор, пока преобладает диффузия углерода, процесс считают цементацией. В таких случаях присутствующий азот рассматривают как элемент, несколько изменяющий равновесие диаграммы Fе — С в направлении расширения области аустенита. Процессы, протекающие в соответствии с диаграммой равновесия Fе — N относятся к азотированию.
1.2.2. Система Fе—С (содержание углерода до 2%)
В диаграмме равновесия Fе — С достаточно рассмотреть только часть, имеющую значение для цементации стали и со¬ответствующую наибольшей растворимости углерода в аустените. Для этого пригодна метастабильная карбидная система, так как цементация практически не связана со стабильной гра¬фитовой системой.
Часть диаграммы равновесия изображена на рис. 2. На ней использовано общепринятое обозначение точек превращения; область над точками G, O, S и Е соответствует твердому раствору углерода в железе — аустениту.
Точки, ограничивающие нижнюю часть диаграммы, определяют содержание углерода и соответствующие температуры: G — 0%С, 910°С; О — точка Кюри, 768°С; S — эвтектоидная точка, 0,80% С, 723°С и Е — 2,0% С, 1130°С.
Рисунок 2. Часть диаграммы равновесия железо — углерод с содержанием углерода до 2,0%
Область, ограниченная осью координат и линией через точки G, Р и Q, занята ферритом. Положение точек определяется следующим образом: Р — 0,25% С, 723° С и Q — 0,008% С, 0°С.
Магнитные изменения при 768° С не принимаются во внимание. Незначительная растворимость углерода в α-железе позволяет считать феррит просто железом.
В области GOSP находятся феррит и аустенит, а в области, расположенной вправо от линии ES — аустенит и цементит (карбид железа Fе3С).
Вправо от точек P и Q почти до перпендикуляра, опущенного из точки S, находится область перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита) и феррита; вправо от этого перпендикуляра— область перлита и цементита.
В приведенной части диаграммы встречаются следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и перлит; последний представляет структуру, образованную эвтектоидной смесью феррита и цементита. В цементованном слое имеют место указанные фазы. Остановимся на их особенностях.
Феррит — твердый раствор углерода в α-железе (до 780° С) и β-железе (от 768°С почти до 910°С); α- и β-железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку, физически построенную так, что углерод в ней растворяется в весьма незначительном количестве. Феррит существует совместно с аустенитом в области температуры выше 723° С для сплавов при содержании углерода почти до 0,83% и совместно с перлитом — ниже этой температуры.
Ниже 723° С феррит, находясь в контакте с углеродом, практически не растворяет его и только после повышения температуры на поверхности их контакта может образоваться небольшое количество твердого раствора углерода в γ-железе. Этот процесс для мягкой стали способствует переходу углерода из перлита в аустенит.
Вследствие диффузии углерода процесс, первоначально начавшийся на поверхности стали, распространяется к сердцевине. При температуре цементации выше 910° С феррит уже не существует, и углерод легко диффундирует в твердый раствор аустенита, который в этой стадии содержит лишь небольшое количество углерода.
Феррит мягок и обладает сравнительно высокими пластическими свойствами в холодном и нагретом состоянии. Мягкая углеродистая сталь с большим количеством феррита не принимает закалки (т. е. при использовании закалки не приобретает высокой твердости). Нагрев низкоуглеродистой стали до температуры закалки способствует, при наличии малых количеств перлита, переходу феррита в твердый раствор γ. Образовавшийся при закалке мартенсит содержит малое количество углерода, что не приводит к большим искажениям кристаллической решетки α-железа.
Аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе, содержит до 2% углерода при 1135° С; γ-железо имеет гранецентрированную кубическую решетку, центр которой остается свободным. Благодаря этому создаются предпосылки для повышения концентрации углерода в сплаве; углерод может разместиться в центре решетки.
Растворимость углерода зависит от температуры. Линия SE — граница этой растворимости, ниже ее из аустенита выде¬ляется углерод в виде карбида Fe3C. С другой стороны область аустенита ограничена температурой превращения γ — α, кото¬рое для чистого железа соответствует точке G. По мере повы¬шения содержания углерода в аустените температура сни¬жается почти до 723° С и при 0,83% углерода аустенит дости¬гает самой низкой границы своего существования — эвтектоидной точки S.
Наличие смеси аустенита с ферритом можно объяснить тем, что из твердого раствора углерода в аустените при понижении температуры ниже GOS выделяется небольшое количество феррита, а остающийся твердый раствор при этом обогащается углеродом. Соответственно снижается температура его превращения, приближаясь к точке S. Выделяющийся из аустенита феррит кристаллизуется в виде зерен (это наиболее вероятно для раствора с концентрацией около точек линии GP) или располагается только по границам зерен (иногда также в местах пластических искажений в кристаллах аустенита). Феррит, выделяющийся из аустенита с концентрацией вблизи точки S, является как бы оболочкой зерна аустенита. Он имеет вид сетки или пластинок по плоскостям скольжения. В этом случае феррит может внешне походить на цементит. Указанный случай приводится как часто встречающийся в металлографии цементованных слоев.
Феррит и аустенит специальных сталей легируются добавками элементов, присутствие которых влияет на положение точек превращения равновесной системы железо — углерод. Эти элементы растворяются как в α-железе, так и в γ-железе. Кремний, хром, алюминий и другие элементы расширяют область феррита; марганец и никель, а также азот — область, аустенита.
Аустенит обладает высокой пластичностью в горячем и холодном состоянии даже в том случае, если он легирован.
Цементит — это карбид железа FезС, кристаллизующийся в ромбической системе. У легированных сталей железо может замещаться марганцем, хромом, молибденом и вольфрамом; с этим связано образование двойных карбидов.
Цементит выделяется по линии SE из насыщенного углеро¬дом аустенита. Вблизи точки S цементит образует оболочку по границам зерен аустенита. Но даже при 2% С не выделяется такого количества цементита, при котором его сетчатое строение превратилось бы в зернистое, так как цементит занимает около 1/17 объема. Если же имеется избыток цементита, то он формируется в виде игл, которые из сетки внедряются в зерно.
Цементит, выделяющийся из аустенита при содержании углерода от 0,83 до 2%, назовем вторичным.
Обладая высокой твердостью, цементит весьма хрупок. Поэтому его присутствию в цементованных слоях уделяют зна¬чительное внимание. Наличие цементита в слое в большинстве случаев нежелательно, за исключением очень толстых слоев у деталей, в которых он служит для увеличения сопротивления трению даже за счет повышенной хрупкости слоя.
1.2.3. Диффузия углерода в сталь
Для ак¬тивной диффузии необходимым условием является близкий кон¬такт поверхности с диффундирующим элементом или со средой, взаимодействующей с этой поверхностью. У двух сплавов диф¬фузия лучше всего происходит в тех местах, где сплавы либо сварены, либо имеют покрытие, нанесенное гальваническим спо¬собом, либо плотно прижаты один к другому. Диффузия угле¬рода в сталь также зависит от такого контакта. При цемента¬ции в твердых средах было доказано, что передатчиком угле¬рода к поверхности стали является газ; хороший контакт со сталью получается в жидкой (при хорошем перемешивании ванны) и газовой (при хорошей циркуляции) средах.
Диффузия углерода может происходить также и в предва¬рительно вакуумированном пространстве при условии близкого контакта стали с насыщающей средой.
Степень науглероживания при цементации зависит от со¬стояния поверхности стали. Поверхность, очищенная механиче¬ски или травлением, лучше способствует диффузии, чем поверх¬ность, покрытая слоем окислов.
Диффузия в растворах происходит по закону Фика. Первое уравнение закона исходит из предположения, что количество вещества m (в граммах), которое пройдет за единицу времени t (секунда, минута, час, день) через любое сечение q на pacстояние х, пропорционально концентрационному перепаду ,
.
Если в этом уравнении вместо t и q подставить единицы измерения времени и площади и не принимать во внимание на¬правление диффузии, то уравнение получит простой вид
,
где D — коэффициент диффузии, см2/сек (при высоких темпе¬ратурах иногда величина коэффициента может быть большой).
Этот коэффициент показывает, насколько быстро протекает диффузия. Если перепад концентрации соответствует единице, коэффициент диффузии отражает непосредственно то количество вещества, которое за единицу времени пройдет через единицу сечения.
1.2.4. Перепад концентрации углерода в слое
В железе, нагретом до температуры выше Ас3, малые атомы углерода легко проникают в решетку γ-железа, и диффузион¬ный слой продвигается равномерно. Если же диффузия оста¬навливается, то углерод в слое распределяется примерно в соот¬ветствии с прямой 1 (рис. 3). Практически диффузия всегда несколько затормаживается и действительное распределение со¬держания углерода соответствует кривой 2.
Плавное распределение углерода в слое достигается во время диффузии при температурах, обеспечивающих появление структуры аустенита, особенно у никелевых сталей, которые не обнаруживают склонности к резкому науглероживанию по¬верхности. В противоположность никелевым сталям поверх¬ностное науглероживание у сталей, содержащих хром, происхо¬дит более интенсивно. На изменение концентрации углерода по глубине влияет также температура: при низких температурах на¬блюдается более резкое, а при высоких — плавное падение кон¬центрации углерода. Если процесс цементации протекает в ин¬тервале температур Ас3 — Ас1 диффузия вследствие постепен¬ного растворения феррита в аустените замедляется. Аустенит непрерывно обогащается углеродом и концентрация последнего достигает на поверхности 3,1%; в связи с этим переход от по¬верхности к сердцевине получается резким (перепад углерода крутой). Такой слой после закалки легко откалывается.
Рисунок 3. Распределение содержания углерода в слое: 1 – теоретическое; 2 – практическое.
На рис. 4 представлены три кривые распределения угле¬рода при цементации, относящиеся к трем различным темпе¬ратурам.
Рисунок 4. Распределение углерода в слое после цементации при различной температуре: 1 - 816°С; 2 - 927°С; 3 - 1038°С.
1.3. Поверхностный слой и его термическая обработка
Сталь любой марки представ¬ляет собой почти однородный сплав, условия термической обработки ко¬торого определяются содержанием углерода и остальных элементов, их влиянием на вид диаграммы изотер¬мического распада аустенита, на положение линий на этой диаграм¬ме, на кривую прокаливаемости и т. д.
В противоположность этому це¬ментованный слой представляет в разрезе непрерывный ряд сплавов, в которых углерод изменяется от со¬держания его в самой стали (содер¬жание углерода в сердцевине) до максимального на поверхности слоя.
При цементации в газовой среде можно точно управлять степенью науглероживания. Учитывая это, не допускают повы¬шения содержания углерода на поверхности больше 0,9%, даже во время получения толстых слоев, и чаще придерживаются эвтектоидного состава. Максималь¬ная твердость достигается при эвтектоидном составе. Более высокое содержание углерода вызывает появление структурно свободного цементита, который уже не повышает твердости стали, но увеличивает сопротивление трению. Поэтому темпе¬ратуру термической обработки слоя выбирают такой, чтобы вы¬полнить требования, предъявляемые к свойствам слоя и серд¬цевины.
На рис. 5 на части диаграммы равновесия железо — углерод наглядно показан цементованный слой с содержанием углерода от 1,2 до 0,15% при различных температурах. При температуре цементации разрез слоя выглядит как однородный аустенит. Зерно его соответствует первоначальному природному зерну стали, так как обогащение ее при цементации углеродом не из¬меняет величины зерна.
Предположим, что, закончив цементацию, сталь оставили постепенно охлаждаться. При понижении температуры до уровня В в сердцевине появляется феррит и сохраняется еще незначительное количество аустенита; перекристаллизация вы¬зывает, в зависимости от скорости охлаждения, измельчение зерна. С повышением содержания углерода количество аусте¬нита в слое возрастает до тех пор, пока вблизи эвтектоидной точки существует зона только из аустенита. Ближе к поверхно¬сти цементованного слоя между зернами аустенита появляется небольшое количество цементита.
При дальнейшем медленном охлаждении до температуры С наступает распад аустенита на перлит. Зерно в доэвтектоидном слое остается мелким; в заэвтектоидном оно не меняется по ве¬личине. Такое состояние сохраняется при охлаждении до тем¬пературы окружающей среды.
Более сложны условия закалки от температуры А или В при охлаждении после цементации и новом нагревании. Если закалить сталь от температуры цементации, то доэвтектоидная часть будет иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита, а заэвтектоидная — будет состоять из смеси крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустенита.
Рисунок 5. Часть диаграммы равновесия и структура слоя, содержащего углерод от 0,15 до 1,2 %С до и после закалки.
При закалке от температуры В, которая лежит выше эвтектоидной линии, часть слоя у сердцевины, только частично за¬каленная, состоит из смеси феррита и мартенсита, а в эвтектоидной зоне будет мелкоигольчатый мартенсит, который рас¬пространится в слое почти до поверхности; вблизи поверхности к этой структуре добавится цементит в виде зернышек или в виде сетки.
Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, за¬ключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали.
При химико-термической обработке (ХТО) происходит поверхностное на¬сыщение стали соответствующим элементом (С, N, А1, Сг, Si и др.) путем его диф¬фузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.
Химико-термическая обработка нашла широкое применение в машинострое¬нии. Большое число деталей массового применения подвергается цементации (науглероживанию), нитроцементации (азотонауглероживанию) и азотированию. Примером могут служить среднеразмерные шестерни и другие многочисленные детали автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, металлорежущих станков, текстиль¬ных машин и т. д., упрочняемых цементацией, нитроцементацней или азотиро¬ванием. Меньшее применение получили процессы насыщения стали металлами (алитирование (алюминирование), хромирование и т. д.), а также борирование.
Широкое применение химико-термической обработки объясняется тем, что большинство деталей машин и механизмов работает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии (химической, электрохимической) при криоген¬ных или высоких температурах, при которых максимальные напряжения воз¬никают в поверхностных слоях металла. Химико-термическая обработка, по¬вышая твердость поверхности, износостойкость, кавитационную и коррозион¬ную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность деталей машин.
Процесс химико-термической обработки является гетерогенным, т. е. проис¬ходящим в различных соприкасающихся фазах, отделенных друг от друга поверх¬ностью раздела.
Гетерогенные процессы обычно протекают многостадийно. Химико-термиче¬ская обработка включает 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, взаимодействия отдельных составляющих среды между собой, температуры, давления и состава стали. Активность среды в данных условиях однозначно определяется потенциалом атмо¬сферы.
2. Адсорбция (сорбция) образовавшихся активных атомов поверхностью насыщения. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке оба типа адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорб¬ция приводит только к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего эле¬мента (адсорбата) с обрабатываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию ван-дер-ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обра¬тимость процесса адсорбции (десорбция). При хемосорбции происходит взаимо¬действие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.
Адсорбция начинается прежде всего на тех участках поверхности, энергия которых максимальна. Адсорбированные атомы удерживаются на поверхности благодаря стремлению системы понизить запас свободной энергии. Адсорбция — всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Если химический потенциал диффундирующего элемента в насыщающей атмосфере выше, чем в обрабатываемом металле, адсорбированные атомы погло¬щаются обрабатываемым металлом, внедряясь в вакантные места решетки, в большом количестве имеющиеся на поверхности металла. Разность химических потенциалов ∆μ насыщающей среды μср и обрабатываемого металла μFe служит термодинамическим стимулом процесса химико-термической обработки ( ∆μ = μср - μFe).
Адсорбирующая способность обрабатываемой поверхности зависит от тем¬пературы, давления, состояния поверхности, природы металла и диффундирующего элемента и других факторов.
С повышением температуры константа скорости адсорбции уменьшается:
,
где n — число адсорбированных атомов; k — постоянная; Q — теплота адсорб¬ции.
С увеличением давления насыщающей среды количество адсорбированных атомов возрастает.
3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насыщения возникает диффузионный поток от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия). Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом металле и достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.
Указанные стадии процесса насыщения взаимосвязаны и влияют на кине¬тику химико-термической обработки, фазовый состав и структуру диффузионного слоя, а следовательно, на его свойства.
При химико-термической обработке приток активных атомов к, обрабатывае¬мой поверхности должен превышать количество атомов, отводимых от поверхности вглубь в результате диффузии.
Концентрация диффундирующего элемента на поверхности С0 зависит от соотношения скоростей подачи диффундирующего элемента к поверхности и отвода его вглубь. Концентрация элемента на поверхности следовательно зависит от активности насыщающей среды (потенциала атмосферы) и скорости диффузии атомов с поверхности в глубь металла.
Чем больше активность насыщающей атмосферы (подача активных атомов) и ниже скорость диффузии, тем выше С0. Однако при чрезмерно высокой ско¬рости подачи атомов из внешней среды возможно выделение на обрабатываемой поверхности диффундирующего элемента (например, сажи при цементации, хрома при хромировании и т. д.), что препятствует дальнейшему насыщению и снижает скорость химико-термической обработки.
Развитие процесса диффузии приводит к образованию в поверхностных слоях обрабатываемого металла диффузионной зоны, состоящей из твердых растворов или химических соединений.
Слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исход¬ного по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем, не затронутый воздействием окружа¬ющей активной среды, называют сердцевиной.
Под общей толщиной диффузионного слоя понимают кратчайшее расстоя¬ние от поверхности насыщения до сердцевины. Эффективной толщиной диффузион¬ного слоя называют часть общей толщины диффузионного слоя, которая опреде¬ляется кратчайшим расстоянием от поверхности насыщения до мерного участка, характеризуемого установленным предельным номинальным значением базового параметра (рис. 1). Прилегающая к сердцевине внутренняя часть диффузион¬ного слоя, протяженность которой определяется разностью общей и эффективной ТОЛЩИН, получила название переходной зоны диффузионного слоя. Качественной и количественной характеристикой химико-термической обработки являются тол¬щина диффузионного слоя, распределение концентрации диффундирующего эле¬мента по толщине слоя, фазовый состав и свойства слоя (твердость, пластичность, сопротивление износу, коррозионная стойкость и т. д.). В зависимости от конкрет¬ных условии привлекается лишь необходимый набор контролируемых признаков.
Рисунок 1. Схема диффузионного слоя
П.З. - переходная зона диффузионного слоя; С. - сердцевина; d0 - общая толщина диффузионного слоя; dэ - эффективная тол¬щина диффузионного слоя; ап - значение базового параметра у поверхности; аэ - пре¬дельное значение базового параметра, уста¬новленное для эффективной толщины; ас - значение базового параметра сердцевины.
1.2. Цементация
1.2.1. Сущность цементации
Цементация — диффузионный процесс, при котором поверхностный слой мягкой стали насыщается углеродом. После закалки цементованной стали отчетливо различаются твердости поверхности и сердцевины. При некоторых способах цементации в карбюризатор вводят вещества, содержащие азот. До тех пор, пока преобладает диффузия углерода, процесс считают цементацией. В таких случаях присутствующий азот рассматривают как элемент, несколько изменяющий равновесие диаграммы Fе — С в направлении расширения области аустенита. Процессы, протекающие в соответствии с диаграммой равновесия Fе — N относятся к азотированию.
1.2.2. Система Fе—С (содержание углерода до 2%)
В диаграмме равновесия Fе — С достаточно рассмотреть только часть, имеющую значение для цементации стали и со¬ответствующую наибольшей растворимости углерода в аустените. Для этого пригодна метастабильная карбидная система, так как цементация практически не связана со стабильной гра¬фитовой системой.
Часть диаграммы равновесия изображена на рис. 2. На ней использовано общепринятое обозначение точек превращения; область над точками G, O, S и Е соответствует твердому раствору углерода в железе — аустениту.
Точки, ограничивающие нижнюю часть диаграммы, определяют содержание углерода и соответствующие температуры: G — 0%С, 910°С; О — точка Кюри, 768°С; S — эвтектоидная точка, 0,80% С, 723°С и Е — 2,0% С, 1130°С.
Рисунок 2. Часть диаграммы равновесия железо — углерод с содержанием углерода до 2,0%
Область, ограниченная осью координат и линией через точки G, Р и Q, занята ферритом. Положение точек определяется следующим образом: Р — 0,25% С, 723° С и Q — 0,008% С, 0°С.
Магнитные изменения при 768° С не принимаются во внимание. Незначительная растворимость углерода в α-железе позволяет считать феррит просто железом.
В области GOSP находятся феррит и аустенит, а в области, расположенной вправо от линии ES — аустенит и цементит (карбид железа Fе3С).
Вправо от точек P и Q почти до перпендикуляра, опущенного из точки S, находится область перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита) и феррита; вправо от этого перпендикуляра— область перлита и цементита.
В приведенной части диаграммы встречаются следующие фазы: феррит, аустенит, цементит и перлит; последний представляет структуру, образованную эвтектоидной смесью феррита и цементита. В цементованном слое имеют место указанные фазы. Остановимся на их особенностях.
Феррит — твердый раствор углерода в α-железе (до 780° С) и β-железе (от 768°С почти до 910°С); α- и β-железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку, физически построенную так, что углерод в ней растворяется в весьма незначительном количестве. Феррит существует совместно с аустенитом в области температуры выше 723° С для сплавов при содержании углерода почти до 0,83% и совместно с перлитом — ниже этой температуры.
Ниже 723° С феррит, находясь в контакте с углеродом, практически не растворяет его и только после повышения температуры на поверхности их контакта может образоваться небольшое количество твердого раствора углерода в γ-железе. Этот процесс для мягкой стали способствует переходу углерода из перлита в аустенит.
Вследствие диффузии углерода процесс, первоначально начавшийся на поверхности стали, распространяется к сердцевине. При температуре цементации выше 910° С феррит уже не существует, и углерод легко диффундирует в твердый раствор аустенита, который в этой стадии содержит лишь небольшое количество углерода.
Феррит мягок и обладает сравнительно высокими пластическими свойствами в холодном и нагретом состоянии. Мягкая углеродистая сталь с большим количеством феррита не принимает закалки (т. е. при использовании закалки не приобретает высокой твердости). Нагрев низкоуглеродистой стали до температуры закалки способствует, при наличии малых количеств перлита, переходу феррита в твердый раствор γ. Образовавшийся при закалке мартенсит содержит малое количество углерода, что не приводит к большим искажениям кристаллической решетки α-железа.
Аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе, содержит до 2% углерода при 1135° С; γ-железо имеет гранецентрированную кубическую решетку, центр которой остается свободным. Благодаря этому создаются предпосылки для повышения концентрации углерода в сплаве; углерод может разместиться в центре решетки.
Растворимость углерода зависит от температуры. Линия SE — граница этой растворимости, ниже ее из аустенита выде¬ляется углерод в виде карбида Fe3C. С другой стороны область аустенита ограничена температурой превращения γ — α, кото¬рое для чистого железа соответствует точке G. По мере повы¬шения содержания углерода в аустените температура сни¬жается почти до 723° С и при 0,83% углерода аустенит дости¬гает самой низкой границы своего существования — эвтектоидной точки S.
Наличие смеси аустенита с ферритом можно объяснить тем, что из твердого раствора углерода в аустените при понижении температуры ниже GOS выделяется небольшое количество феррита, а остающийся твердый раствор при этом обогащается углеродом. Соответственно снижается температура его превращения, приближаясь к точке S. Выделяющийся из аустенита феррит кристаллизуется в виде зерен (это наиболее вероятно для раствора с концентрацией около точек линии GP) или располагается только по границам зерен (иногда также в местах пластических искажений в кристаллах аустенита). Феррит, выделяющийся из аустенита с концентрацией вблизи точки S, является как бы оболочкой зерна аустенита. Он имеет вид сетки или пластинок по плоскостям скольжения. В этом случае феррит может внешне походить на цементит. Указанный случай приводится как часто встречающийся в металлографии цементованных слоев.
Феррит и аустенит специальных сталей легируются добавками элементов, присутствие которых влияет на положение точек превращения равновесной системы железо — углерод. Эти элементы растворяются как в α-железе, так и в γ-железе. Кремний, хром, алюминий и другие элементы расширяют область феррита; марганец и никель, а также азот — область, аустенита.
Аустенит обладает высокой пластичностью в горячем и холодном состоянии даже в том случае, если он легирован.
Цементит — это карбид железа FезС, кристаллизующийся в ромбической системе. У легированных сталей железо может замещаться марганцем, хромом, молибденом и вольфрамом; с этим связано образование двойных карбидов.
Цементит выделяется по линии SE из насыщенного углеро¬дом аустенита. Вблизи точки S цементит образует оболочку по границам зерен аустенита. Но даже при 2% С не выделяется такого количества цементита, при котором его сетчатое строение превратилось бы в зернистое, так как цементит занимает около 1/17 объема. Если же имеется избыток цементита, то он формируется в виде игл, которые из сетки внедряются в зерно.
Цементит, выделяющийся из аустенита при содержании углерода от 0,83 до 2%, назовем вторичным.
Обладая высокой твердостью, цементит весьма хрупок. Поэтому его присутствию в цементованных слоях уделяют зна¬чительное внимание. Наличие цементита в слое в большинстве случаев нежелательно, за исключением очень толстых слоев у деталей, в которых он служит для увеличения сопротивления трению даже за счет повышенной хрупкости слоя.
1.2.3. Диффузия углерода в сталь
Для ак¬тивной диффузии необходимым условием является близкий кон¬такт поверхности с диффундирующим элементом или со средой, взаимодействующей с этой поверхностью. У двух сплавов диф¬фузия лучше всего происходит в тех местах, где сплавы либо сварены, либо имеют покрытие, нанесенное гальваническим спо¬собом, либо плотно прижаты один к другому. Диффузия угле¬рода в сталь также зависит от такого контакта. При цемента¬ции в твердых средах было доказано, что передатчиком угле¬рода к поверхности стали является газ; хороший контакт со сталью получается в жидкой (при хорошем перемешивании ванны) и газовой (при хорошей циркуляции) средах.
Диффузия углерода может происходить также и в предва¬рительно вакуумированном пространстве при условии близкого контакта стали с насыщающей средой.
Степень науглероживания при цементации зависит от со¬стояния поверхности стали. Поверхность, очищенная механиче¬ски или травлением, лучше способствует диффузии, чем поверх¬ность, покрытая слоем окислов.
Диффузия в растворах происходит по закону Фика. Первое уравнение закона исходит из предположения, что количество вещества m (в граммах), которое пройдет за единицу времени t (секунда, минута, час, день) через любое сечение q на pacстояние х, пропорционально концентрационному перепаду ,
.
Если в этом уравнении вместо t и q подставить единицы измерения времени и площади и не принимать во внимание на¬правление диффузии, то уравнение получит простой вид
,
где D — коэффициент диффузии, см2/сек (при высоких темпе¬ратурах иногда величина коэффициента может быть большой).
Этот коэффициент показывает, насколько быстро протекает диффузия. Если перепад концентрации соответствует единице, коэффициент диффузии отражает непосредственно то количество вещества, которое за единицу времени пройдет через единицу сечения.
1.2.4. Перепад концентрации углерода в слое
В железе, нагретом до температуры выше Ас3, малые атомы углерода легко проникают в решетку γ-железа, и диффузион¬ный слой продвигается равномерно. Если же диффузия оста¬навливается, то углерод в слое распределяется примерно в соот¬ветствии с прямой 1 (рис. 3). Практически диффузия всегда несколько затормаживается и действительное распределение со¬держания углерода соответствует кривой 2.
Плавное распределение углерода в слое достигается во время диффузии при температурах, обеспечивающих появление структуры аустенита, особенно у никелевых сталей, которые не обнаруживают склонности к резкому науглероживанию по¬верхности. В противоположность никелевым сталям поверх¬ностное науглероживание у сталей, содержащих хром, происхо¬дит более интенсивно. На изменение концентрации углерода по глубине влияет также температура: при низких температурах на¬блюдается более резкое, а при высоких — плавное падение кон¬центрации углерода. Если процесс цементации протекает в ин¬тервале температур Ас3 — Ас1 диффузия вследствие постепен¬ного растворения феррита в аустените замедляется. Аустенит непрерывно обогащается углеродом и концентрация последнего достигает на поверхности 3,1%; в связи с этим переход от по¬верхности к сердцевине получается резким (перепад углерода крутой). Такой слой после закалки легко откалывается.
Рисунок 3. Распределение содержания углерода в слое: 1 – теоретическое; 2 – практическое.
На рис. 4 представлены три кривые распределения угле¬рода при цементации, относящиеся к трем различным темпе¬ратурам.
Рисунок 4. Распределение углерода в слое после цементации при различной температуре: 1 - 816°С; 2 - 927°С; 3 - 1038°С.
1.3. Поверхностный слой и его термическая обработка
Сталь любой марки представ¬ляет собой почти однородный сплав, условия термической обработки ко¬торого определяются содержанием углерода и остальных элементов, их влиянием на вид диаграммы изотер¬мического распада аустенита, на положение линий на этой диаграм¬ме, на кривую прокаливаемости и т. д.
В противоположность этому це¬ментованный слой представляет в разрезе непрерывный ряд сплавов, в которых углерод изменяется от со¬держания его в самой стали (содер¬жание углерода в сердцевине) до максимального на поверхности слоя.
При цементации в газовой среде можно точно управлять степенью науглероживания. Учитывая это, не допускают повы¬шения содержания углерода на поверхности больше 0,9%, даже во время получения толстых слоев, и чаще придерживаются эвтектоидного состава. Максималь¬ная твердость достигается при эвтектоидном составе. Более высокое содержание углерода вызывает появление структурно свободного цементита, который уже не повышает твердости стали, но увеличивает сопротивление трению. Поэтому темпе¬ратуру термической обработки слоя выбирают такой, чтобы вы¬полнить требования, предъявляемые к свойствам слоя и серд¬цевины.
На рис. 5 на части диаграммы равновесия железо — углерод наглядно показан цементованный слой с содержанием углерода от 1,2 до 0,15% при различных температурах. При температуре цементации разрез слоя выглядит как однородный аустенит. Зерно его соответствует первоначальному природному зерну стали, так как обогащение ее при цементации углеродом не из¬меняет величины зерна.
Предположим, что, закончив цементацию, сталь оставили постепенно охлаждаться. При понижении температуры до уровня В в сердцевине появляется феррит и сохраняется еще незначительное количество аустенита; перекристаллизация вы¬зывает, в зависимости от скорости охлаждения, измельчение зерна. С повышением содержания углерода количество аусте¬нита в слое возрастает до тех пор, пока вблизи эвтектоидной точки существует зона только из аустенита. Ближе к поверхно¬сти цементованного слоя между зернами аустенита появляется небольшое количество цементита.
При дальнейшем медленном охлаждении до температуры С наступает распад аустенита на перлит. Зерно в доэвтектоидном слое остается мелким; в заэвтектоидном оно не меняется по ве¬личине. Такое состояние сохраняется при охлаждении до тем¬пературы окружающей среды.
Более сложны условия закалки от температуры А или В при охлаждении после цементации и новом нагревании. Если закалить сталь от температуры цементации, то доэвтектоидная часть будет иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита, а заэвтектоидная — будет состоять из смеси крупноигольчатого мартенсита и остаточного аустенита.
Рисунок 5. Часть диаграммы равновесия и структура слоя, содержащего углерод от 0,15 до 1,2 %С до и после закалки.
При закалке от температуры В, которая лежит выше эвтектоидной линии, часть слоя у сердцевины, только частично за¬каленная, состоит из смеси феррита и мартенсита, а в эвтектоидной зоне будет мелкоигольчатый мартенсит, который рас¬пространится в слое почти до поверхности; вблизи поверхности к этой структуре добавится цементит в виде зернышек или в виде сетки.
@музыка: lostprophets - our broken hearts
-
-
29.04.2009 в 10:44-
-
21.05.2009 в 18:35-
-
23.05.2009 в 10:27