Общие закономерности химико-термической обработки.

ЦЕМЕНТАЦИЯ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Химико-термическая обработка является одним из наиболее эффективных методов упрочнения поверхности деталей для повышения их долговечности. Химико-термической обработкой называется процесс, при котором происходит изменение химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев металла. Цель химико-термической обработки: повышение поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, коррозионной стойкости, жаростойкости (окалиностойкости), кислотоустойчи-вости и др.

Преимущества химико-термической обработки по сравнению с другими методами поверхностного упрочнения, например поверхностной закалкой, следующие: 1) большее различие свойств поверхности и сердцевины в связи с изменением химического состава поверхностных слоев; 2) химико-термической обработке можно подвергать различные по форме и размерам детали, обеспечивая при этом получение обогащенного слоя одинаковой толщины. Недостатком химико-термической обработки является низкая производительность.

При химико-термической обработке происходит обогащение поверхностных слоев одним пли несколькими элементами; при этом одновременно протекают следующие элементарные процессы: а) разложение молекул с образованием активных атомов диффундирующего элемента (диссоциация); б) поглощение активных атомов поверхностью металла (адсорбция); в) проникновение атомов, адсорбированных поверхностью, в глубь металла (диффузия).

Диффузия может осуществляться в том случае, когда диффундирующий элемент образует с основным металлом твердый раствор или химическое соединение. Наиболее вероятным следует считать механизм диффузии по вакансиям (ваканспонный механизм) и по межузлиям (межузельный механизм).

Вакансии и межузельные атомы — точечные дефекты структуры реального металла, механизм образования которых заключается в следующем. Атом, находящийся в правильном (регулярном) положении в узле кристаллической решетки и имеющий достаточно большую энергию, может переместиться в неправильное (иррегулярное) положение (в межузлпе), оставляя место в узле решетки незанятым. Атом, переместившийся в межузлие, называется дислоцированным, а узел, не занятый атомом, называется вакансией (атомной дыркой).

В образовавшуюся в кристаллической решетке вакансию может переместиться рядом расположенный атом, например, атом А (рис. 89, а) оставив после себя вакансию в том месте, где он находился до этого. В эту вакансию может перейти соседний атом, например, атом В (рис. 89, б и в), его место может занять атом С (рис. 89, в и г) и т. д. Работа, необходимая для перехода атома из регулярного положения в иррегулярное, называется энергией активации. Рассмотренное перемещение атомов в собственной кристаллической решетке называется самодиффузией.

При диффузии по вакансионному механизму образовавшиеся при диссоциации атомы диффундирующего элемента адсорбируются поверхностью насыщаемого металла, занимая места вакансий. Диффузия адсорбированных атомов совершается в результате обмена мест атомов с вакансиями. С повышением температуры увеличиваются тепловые колебания атомов и растет число вакансий в решетке, что ускоряет процесс диффузии.

При диффузии по межузельному механизму образовавшиеся при диссоциации атомы диффундирующего элемента адсорбируются поверхностью насыщаемого металла, располагаясь в меж-узлиях. Диффузия адсорбированных атомов происходит также по межузлиям. Межузельный механизм диффузии характерен для диффузии атомов примесей в твердых растворах внедрения. Одним из наиболее характерных примеров перемещения по межузлиям является диффузия атомов углерода в железо (процесс цементации). Размеры атомов углерода значительно меньше размеров атомов железа и поэтому могут достаточно легко и быстро перемещаться по межузлиям, и в данном случае процесс диффузии не зависит от вакансий.

Рассмотренное перемещение инородных (растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке называется гетеродиффу-зней.

Степень насыщения поверхности металла определяется реакциями, протекающими на границе металл — внешняя среда. Скорость диффузии зависит от насыщающего элемента, его концентрации на поверхности и температуры процесса. Практически детали нагревают до определенной температуры и выдерживают в среде, содержащей достаточное количество того элемента, которым производится насыщение. В результате образуется диффузионный слой, содержание диффундирующего элемента в котором понижается по мере удаления от поверхности. Глубина диффузионного слоя и концентрация диффундирующего элемента в слое зависят от температуры насыщения, длительности выдержки, концентрации диффундирующего элемента во внешней среде.

К химико термической обработке относятся процессы насыщения поверхностных слоев стали углеродом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирование, нитроцемен-тация), алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борироваше) и др.