ГЛАВА XII. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Химико-термической обработкой (поверхностным легированием) называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействий на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях.

Химико-термическая обработка (ХТО) сводится к диффузионному насыщепню поверхностного слоя стали неметаллами (С, N, Si, В и др.) или металлами в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

При одновременно протекают несколько процессов:

1) образование в окружающей среде (или в отдельном реакционном объеме) диффундирующего элемента в атомарном (ионизированном) состоянии; насыщающая атмосфера должна обеспечивать высокую концентрацию диффундирующего элемента на поверхности обрабатываемого металла (изделия). Количество атомов, поступающих из насыщающей среды в металл, в основном определяется скоростью химических реакций (или испарения), связанной с выделением насыщающего вещества;

2) адсорбция атомов (ионов) на поверхность металла с образованием химических связей между ионами насыщающего элемента и основного металла (хемосорбция);

3) диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь обрабатываемого металла (изделия).

В результате диффузии образуется диффузионный слой, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающейся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Рис. 145. Схема диффузионного слоя: общая толщина диффузионного слоя; эффективная толщина диффузионного слоя; толщина переходной зоны диффузионного слоя; — концентрация диффундирующего элемента на поверхности; содержание диффундирующего элемента в исходном металле (сердцевине); С — содержание диффундирующего элемента (или другого базового характера), установленного для

Концентрация диффундирующего элемента уменьшается от поверхности в глубь металла (рис. 145). Как следствие этого изменяется структура и свойства. При насыщении металла, например железа, различными элементами строение слоя подчиняется общему правилу, согласно которому диффузия вызывает образование однофазных слоев, соответствующих однофазным областям диаграммы фазового равновесия (М — любой другой элемент), пересекаемым изотермой при температуре насыщения. Диффузионный слой образуется в той же последовательности, что и однофазные области на диаграмме состояний при данной температуре насыщения. При переходе от одной фазы к другой отмечается скачок концентрации, соответствующий ширине двухфазной области на диаграмме фазового равновесия.

Покажем это на диаграммах состояния железо — диффундирующий элемент . При температуре (рис. 146) диффузия протекает в решетке а без фазовых превращений. Следовательно, при температуре насыщения существует только -твердый раствор и концентрация диффундирующего элемента

Рис. 146. Схема диаграммы состояния железо — диффундирующий элемент (а), изменение концентрации диффундирующего элемента по толщине слоя (б) и схема микроструктуры диффузионного слоя (в) при

постепенно уменьшается от максимальной на поверхности до нуля на некоторой глубине.

Диффузионный слой по микроструктуре можно определить только благодаря несколько большей или иной его травимости. Насыщение при температуре сопровождается фазовой перекристаллизацией при температуре диффузии. Диффузия первоначально протекает в -фазе, а по достижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристаллизация . Зародыши -фазы от поверхности растут по направлению диффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.

На границе раздела двух фаз (а и 7) устанавливается перепад концентрации (см. рис. 146), а в микроструктуре (после охлаждения) обнаруживается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные слои при температуре диффузии не могут образоваться, а могут возникнуть только в результате превращения во время охлаждения. При насыщении легированной сталй при температуре диффузии могут возникнуть многофазные слои.

При определении толщины диффузионного слоя, полученного при насыщении железа (стали) металлами и неметаллами обычно указывается не общая толщина слоя в измененным составом, а только толщина до пограничной диффузионной линии между а- и -фазами (при насыщении металлами) или до определенной твердости (концентрации диффундирующего элемента) — эффективная толщина диффузионного слоя (см. рис. 145).

Толщина диффузионного слоя зависит от температуры насыщения (рис. 147, а), - продолжительности процесса (рис. 147, б), характера образующегося твердого раствора, обрабатываемого металла (состава сплава) и концентрации диффундирующего элемента на поверхности. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности, тем больше толщина слоя при данной температуре и продолжительности процесса насыщения. Скорость диффузии атомов насыщающего элемента, образующего с обрабатываемым металлом твердые растворы внедрения, значительно выше, чем при образовании твердого раствора замещения (рис. 147). Поэтому при поверхностном насыщении стали металлами , образующими с железом твердые растворы замещения, процесс ведут при более высоких температурах и длительнее и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщении азотом, и особенно углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. Диффузия элементов легче протекает в решетке -железа, чем в более плотноупакованной решетке -железа.

Химико-термическую обработку широко применяют для упрочнения деталей машин. Это объясняется тем, что большинство деталей машин работают в условиях изнашивания кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают

Рис. 147. Схема влияния температуры (а) и продолжительности процесса при данной температуре (б) на толщину диффузионного слоя: 1 — элементы, образующие твердые раотворы внедрения (С, N и др.); 2 - элементы, образующие твердые растворы замещения

в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. Химико-термическая обработка, повышая твердость, износостойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долгрвечность деталей машин.