Химико-термическая обработка сталей

Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путем добавления различных химических веществ до определенной глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространенных целей, относящихся при использовании этих технологий является повышение твердости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышения износостойкости, повышения устойчивости к усталости и улучшения коррозионной стойкости. К этим методам относятся:

· Цементация (C) увеличивает твердость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.

· Азотирование (N) как и цементация увеличивает поверхностную твердость и износостойкость стали, но за счет увеличения концентрации азота.

· Цианирование (N + C) — это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации — смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН₄ и ​​др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.

· Сульфатирование (S) — насыщение поверхности серой улучшает приработки трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.

Перлитное превращение - эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) и цементита (Fe₃C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой:

ɣ→ɑ+Fe₃C

Перлитное превращение происходит в сталях, содержащих более 0,025%С (по массе), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на ферритной металлической основе).

Структура, образующаяся в результате превращения, называется перлит и она состоит из тонких чередующихся пластинок (кристаллов) феррита и цементита. Составы всех трех фаз при медленном охлаждении строго определен: в нелегированной стали или чугуне

· аустенит содержит 0,8%С

· перлит состоит из:

· феррит - 0,025%С

· цементит - 6,67%С (по массе).

Отсюда следует, что пластинки феррита в 7,3 раза толще пластинок цементита.

При снижении температуры ниже 727°С скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~550°С и затем уменьшается, падая почти до нуля при ~200°С. Чем ниже температура превращения тем меньше толщина пластинок и выше прочностные свойства. Абсолютная толщина пластинок перлита (межпластинчатое расстояние, период структуры) меняется обычно от нескольких мкм (и тогда их можно различить в рядовом оптическом микроскопе), до десятых долей мкм (пластинки обнаруживаются только при максимальных разрешениях) и до сотых долей мкм (необходим уже электронный микроскоп). Соответствующие дисперсные разновидности перлита называют также сорбит и троостит.

Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В результате можно получить качественно одинаковые, но различно называющиеся:

Перлит — получается при медленном охлаждении, обычно вместе с обладающей тепловой инерцией массивной печью, то есть при отжиге.

Примерные свойства: твердость — 200HB, предел прочности — 600МПа, предел текучести — 300МПа.

Троостит —структурная составляющая железоуглеродистых сплавов (чугуна, стали). Троостит является высокодисперсным перлитом. Последний, в свою очередь, представляет собой эвтектоидную смесь феррита ицементита.

Троостит образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 600 °С. Превращение аустенита в троостит происходит диффузионным путём, тип образовавшегося троостита зависит от температуры превращения. Троостит закалки, образующийся при распаде аустенита в температурном интервале 400—500 °C, содержит пластинчатый цементит, в отличие от троостита отпуска, который образуется при отпуске при температурах 350—400 °C и содержит зернистый цементит.

Межпластиночное расстояние в троостите закалки не превышает 0,1 мкм. Твёрдость троостита выше, чем перлита или сорбита. В оптическом микроскопе троостит наблюдается как тёмные участки на фоне светлых полей мартенсита, при этом дифференцировать отдельные составляющие феррито-цементитной смеси почти невозможно ввиду её мелкодисперсности. Однако под электронным микроскопом легко наблюдается пластинчатое строение троостита с веерообразным расположением пластинок.

получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в каком-либо минеральном масле. Твердость — 400HB, предел прочности — 1400МПа, предел текучести — 700МПа.

Бейнит - игольчатый троостит, структура стали, образующаяся в результате так называемого промежуточного превращения аустенита. Бейнит состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Образование бейнита сопровождается появлением характерного микрорельефа на полированной поверхности шлифа.

Верхний бейнит — (строение перистое), образуется из переохлажденного аустенита при температурах 500-350 °С. Имеет пониженную пластичность стали по сравнением с перлитной областью распада аустенита. Твёрдость и прочность при этом не изменяются или несколько снижаются.

Нижний бейнит - строение (с игольчатым мартенситоподобное), образуется, в результате распада переохлажденного аустенита при температурах 350-200 °С. Имеет высокую твердость и прочность при высокой пластичности.

Мартенсит — микроструктура игольчатого (пластинчатого) вида, а также реечного (пакетного) наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойственен полиморфизм. Мартенсит — основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита. С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов.