ТЕМА 10. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износоустойчивости, сопротивлению усталости и контактной выносливости, для защиты деталей от электрохимической и газовой коррозии.

Различают 3 стадии процесса химико-термической обработки:

1. Протекают химические реакции в исходной (окружающей) среде, в результате которых образуются активные диффундирующие элементы, по-видимому, в ионизированном состоянии.
2. Диффундирующие элементы усваиваются насыщаемой поверхностью металла – происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов, возникает градиент концентрации – движущая сила для третьей стадии процесса.
3. Диффузионное проникновение элемента вглубь насыщаемого металла, который сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Фазовые и структурные изменения, происходящие на диффузионной стадии процесса можно предсказать с помощью двойных диаграмм состояния.

Диффузионное насыщение стальных деталей

Углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стальных деталей углеродом и азотом (и одновременно C и N) – наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют на значительную толщину.

Цементация стали – технологический процесс диффузионного насыщения углеродом. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали равна 0,8-1,0%, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами, хорошо сопротивляется износу, твердость поверхности – 750-950 HV. Сердцевина детали, содержащая 0,08-0,25% углерода остается вязкой.

Исходную среду для цементации принято называть карбюризатором. Древесный уголь с 20-25% BaCO₃ и 3-5% CaCO₃ – твердый карбюризатор. Разбавленный природный газ метан – газовый карбюризатор.

Азотирование стали – технологический процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычно азотирование проводят при температурах 500-600^оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускают диссоциирующий аммиак.

При азотировании углеродистых сталей с увеличением концентрации углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.

Азотированная сталь коррозионностойка в воде и атмосферных условиях. Твердость ее невысока – 450-550HV. Значительно большая твердость достигается при азотировании специальных легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Cr, Mo, Al, V, Ti.

Процесс азотирования – длительная операция. Диффузионную зону около 0,5 мм получают при 500-520^оС за 55 часов выдержки (сталь38Х2МЮА).

По сравнению с цементованными, азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Но используют его реже из-за длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность деталей.

Насыщение поверхности стали одновременно углеродом и азотом – такой процесс называется нитроцементацией. Исходная среда – смесь цементирующего газа с 3-5% NH₃. В диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют в автомобилестроении для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.

Диффузионное насыщение деталей металлами и неметаллами

Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислительному действию рабочей среды. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (алюминирование), хромирование, силицирование из порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (NH₄Cl, NH₄ и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем) для предотвращения спекания.

Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры, нагревают до 1000-1200_оС и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев заданной толщины и структуры.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего применяют химико-термическую обработку сплавов?
2. Какие виды химико-термической обработки вы знаете?
3. За счет каких процессов в металле возможна химико-термическая обработка?

ТЕМА 11. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие требования

Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам.

Детали машин отличаются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических, ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых: эксплуатационные, технологические, экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность. Конструкционная прочность – комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. Для того, чтобы противостоять среде материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами – стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью (окалиностойкостью), радиационной стойкостью, влагостойкостью и т.д.

Температурный диапазон работы современных материалов – от минус 269^оС до 1000^оС (в отдельных случаях до 2500^оС). Для работы в условиях высокой температуры от материала требуется жаропрочность, а при низкой – хладостойкость.

В некоторых случаях важно требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке.

Экономические требования сводятся к стоимости и доступности материала.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: