logo
УП_ОАПТОМИ_УММ-2443

11.1.5. Процессы химико-термической обработки

Химико-термическая обработка (ХТО)– изменение химического состава в поверхностных слоях металла (с последующим изменением микроструктуры) под воздействием внешних сред и температуры и, как следствие этого, получение определенных физико-механических свойств поверхности и сердцевины во взаимодействии.

Химико-термическая обработка применяется с целью повышения предела выносливости конструкционной стали при циклических нагрузках (табл. 11.18, 11.19), повышения износоустойчивости трущихся поверхностей деталей и с целью противодействия влиянию внешних сред при нормальной и высокой температуре (устойчивость против коррозии и жаростойкость).

Таблица 11.17

Влияние низкотемпературной обработки (t = -183 °С) на механические

свойства и износоустойчивость некоторых марок легированной стали

Марка стали

Механические свойства*

Увеличение

Износоустойчивости, %

До низкотемпературной

обработки

После низкотемпературной

Обработки

Qbu , кг/мм2

Стрела прогиба,

мм

KCU, Дж/см2

HRC

Величина износа, мм3

Qbu , кг/мм2

Стрела прогиба, мм

KCU, Дж/см2

HRC

Величина износа, мм3

12Х2Н4А

18ХГТ

18ХНМА

18ХГМ

222

252

257

202

2,6

2,95

4,07

2,4

150

33

103

34

58-59

57-53

46-50

58-60

5,75

2,85

3,85

3,90

191

230

186

177

2,2

2,75

2,90

1,68

128

24

71

18

58-64

60-63

60-61

60-61

3,99

2,38

2,38

2,45

32

16

38

37

*Образцы размером 1010120 мм подвергались газовой цементации на глубину 1,5 мм с последующей непосредственной закалкой и низким отпуском при температуре 150 °С.

Таблица 11.18

Предел выносливости при изгибе планированных, цементованных

и азотированных образцов Ø 10 мм

Марка

стали

Термическая обработка образцов

σ -1 , кг/мм2

HRA

Режим

τ, час

δ, мм

10

З; О

Ц, 900 °С

Ц нр, 820 °С

Ц нр, 820 °С

Ц нр, 850°С

-

4

0,25

1

2,5

-

0,36

0,08

0,18 0,52

25,2 43,2 38,8 45,3 45,8

-

80 - 81

74

78

80 - 82

12ХН3А

З; 830 °С

Он, 150-170 °С

Ц нр, 850 °С

Ц нр, 850 °С

Ц нр, 860 °С

-

-

0,33

1

2

-

-

0,15 0,33 0,50

40-42

-

46

54

64

-

-

78-80 80-81 82-83

38ХМЮА

З, О

Аз, 540 °С

Лз, 540 °С

-

15

25

-

0,15

0,32

48-49 60

62

-

80-81 80-81

Любой из процессов химико-термической обработки осуществляется при взаимодействии внешних газов или жидких сред с поверхностью металла при абсорбции и диффузии активного элемента в атомарном состоянии в глубь металла. Комплексное рассмотрение явлений, протекающих во внешней среде, на поверхности и внутри металла является научно обоснованным методом изучения процесса и нахождения путей его интенсификации при взаимодействии на явления, протекающие с наименьшей скоростью и тормозящие тем самым развития процесса в целом.

Таблица 11.19

Влияние химико-термической обработки на предел выносливости

хромоникельмолибденовой стали

σв

кг\мм2

Форма образца

Напряженное состояние

Кσ

или

Кτ

Химико-термическая обработка

Предел вынос­ливости,

кг\мм*

Коэффициент повы­шения предела вынос­ливо­сти

Вид

δ,

мм

без обра­ботки

после обра­ботки

127-130

Круглый, гладкий, Ø14 мм

Изгиб Кручение

1,0

1,0

Цементация*

0,2

0,2

62

25

70

31,5

1,13

1.26

127-130

То же с поперечным отверстием Ø2 мм

Изгиб

Кручение

1,82

2,08

Цементация* после сверле­ния отверстия

0,2-0,3

0,2-0,3

34

12

44

29

1,29

2,41

70-120

Круглый гладкий, Ø7,5-14 мм

Изгиб

1,0

Азотирование

0,2-0,8

—

—

1,2-1,5

70-120

Круглый обработан­ный, 5 мм с тре­угольным надре­зом глубиной 0,3 мм и углом при вершине 60°

Растяжение

1,6

Азотирование

0,35-0,5

21,5 54,0 2,5

(влияние надреза пол­ностью скомпенсиро­вано)

70-120

Круглый, 10 мм с надрезом, профиль которого совпадает с профилем метри­ческой нарезки 10 мм

Изгиб

3,06

Азотирование

0,35-0,5

12,5 50,25 4,0

(влияние надреза пол­ностью скомпенсиро­вано)

*После цементации — закалка и низкий отпуск.

Аналитическими и экспериментальными следованиями установлена приемлемость законов Фика к случаю диффузии различных элементов в твердых растворах:

где D - коэффициент диффузии в см2/сек (см2\24 часа);

Q – теплота диффузии, R – газовая постоянная (R=1,987), δ – межатомное расстояние металла, в котором происходит диффузия, N – число Авогадро, n – постоянная Планка, A – коэффициент;

(см. рис. 11.12).

Из первого закона Фика вытекает параболическая зависимость глубины слоя х в мм от продолжительности процесса τ в час:

.

Решение этого уравнения приводит к выражению:

C0 – начальное содержание в стали диффундирующего элемента, Сх – содержание диффундирующего элемента на глубине х от поверхности, Сf – содержание диффундирующего элемента в поверхностной тонкой зоне,

интеграл Гаусса (рис. 11.10), по значению которого на основании послойного химического анализа определяется коэффициент диффузии D элемента.