Цементация это насыщение поверхностного слоя стали

Pereosnastka.ru

Химико-термическая обработка
Химико-термическая обработка

Для стальных изделий применяется химико-термическая обработка. Она заключается в том, что поверхностные слои изделий при одновременном действии различных химических реагентов и высокой температуре насыщаются углеродом, азотом и другими элементами. Цель такого насыщения — увеличение твердости поверхностного слоя с сохранением вязкой сердцевины изделия, повышение устойчивости его против коррозии, приобретение новых декоративных свойств, а также жаростойкости, сопротивление износу, истиранию и т. п.

Этот процесс основан на способности различных элементов в момент своего выделения из соединений в атомарном состоянии проникать (диффундировать) в поверхностные слои стали и насыщать их. Различают следующие основные виды химико-термической обработки: цементация; азотирование; цианирование; алитирование; силицирование; диффузное хромирование.

Цементация — это поверхностное науглероживание стали. Она применяется в тех случаях, когда изделие должно иметь твердую поверхность при вязкой сердцевине. Цементация основана на свойстве железа поглощать углерод при высокой температуре.

Цементации подвергают малоуглеродистые стали с содержанием углерода не выше 0,2%, а также легированные стали с содержанием никеля, хрома и других веществ.

Азотирование (нитрирование) представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стальных и чугунных изделий азотом. Азотирование углеродистых сталей применяется главным образом для повышения коррозионной стойкости.

Цианирование — процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом, которые повышают коррозионную стойкость и твердость изделий. Совместное действие углерода и азота ускоряет этот процесс по сравнению с цементацией.

Алитирование — процесс диффузного насыщения поверхности стальных и чугунных изделий алюминием. Оно применяется для повышения жаростойкости до 900—950°С благодаря образованию на поверхности защитной пленки из окиси алюминия.

Силицирование повышает твердость и коррозионную стойкость изделий. Оно заключается в насыщении поверхностного слоя стальных изделий кремнием.

Диффузное хромирование значительно повышает коррозионную стойкость, твердость, сопротивление износу и жаростойкость.

Химико-термическая обработка состоит в насыщении поверхностных слоев изделия тем или иным полезным элементом. Адсорбция и диффузия этого элемента протекает при повышенной температуре из среды, окружающей изделие. Такая среда, богатая насыщающим элементом, носит название цементирующей.

Все способы химико-термической обработки по характеру влияния на свойства материала можно подразделить на две большие группы.
1. Упрочняющая химико-термическая обработка, включающая цементацию углеродом, азотирование, цианирование, диффузионное хромирование, борирование сталей.
2. Химико-термическая обработка с целью повышения жаростойкости и коррозионной стойкости при обычных температурах, включающая алитирование, хромирование, силицирование и другие.

Элемент, которым насыщается изделие при химико-термической обработке, должен быть в активном атомарном состоянии. Азот воздуха, находящийся, как известно, в молекулярном состоянии, непригоден для азотирования стали. Для цементации стали нельзя использовать вещества, которые не претерпевают реакций, сопровождающихся выделением углерода в атомарном виде.

Поэтому, как правило, насыщение при химико-термической обработке происходит при участии газовых фаз, способных выделять насыщающий элемент в атомарном состоянии.

Цель химико-термической обработки — получение поверхностного слоя стальных деталей, обладающего повышенной твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии (проникновения) в поверхностный слой деталей переходят некотррые элементы (углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др.).

Поглощение таких элементов протекает лучше всего, когда диффундирующий элемент выделяется в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах (в летучем состоянии), поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделившийся при разложении активизированный атом элемента проникаете решетку стали и образует или твердый раствор, или химическое соединение.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются: цементация, азотирование, цианирование.

Цементация. Цементацией называется процесс поглощения поверхностным слоем стали углерода с целью получения (после закалки) детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной.

Цементации подвергают такие детали, которые работают одновременно на истирание и на удар.

Существуют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором (науглероживателем) и газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в смеси с углекислыми солями — карбонатами (Na2C03, ВаС03 и др.), которые при нагревании легко распадаются с выделением углекислого газа (С02). Количество карбонатов в карбюризаторах колеблется обычно в пределах от 20 до 40%.

Цементации подвергают детали из углеродистой или легированной стали с содержанием углерода от 0,2%. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации и, следовательно, хорошее сопротивление динамической нагрузке.

Детали помещают в железные цементационные ящики и засыпают карбюризатором.

Атомарный углерод диффундирует в поверхностный слой, вследствие чего содержание его в аустените повышается.

Та ким образом, действительным цементирующим веществом при цементации твердым карбюризатором является окись углерода (СО).

Поверхности, не подлежарие цементации, изолируют от карбюризатора нанесением на них специальных обмазок или слоя меди (электролитическим способом).

Глубина цементации зависит от времени и температуры выдержки деталей и обычно составляет 0,5—1,5 мм.

Предельная растворимость углерода в поверхностном слое зависит от температуры и определ яется линией SE диаграммы железо—углерод. Обычно цементированные детали содержат в поверхностном слое 0,95—1,1% С.

При газовой цементации в качестве карбюризаторов применяются различные газы и газовые смеси: природные газы, светильный газ, генераторный газ и др. В состав этих газов, кроме уже известной нам окиси углерода, входят углеводороды. Из углеводородов особое значение имеет метан (СН4).

Преимуществами газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются сокращение времени процесса (в два-три раза), чистота рабочего места, возможность более точного регулирования процесса. На отечественных завода)? газовая цемендация применяется очень широко.

После цементации детали подвергают закалке и отпуску.

Закалка цементированной стали имеет свои особенности, так как цементация вызывает значительный рост зерна вследствие продолжительной выдержки при высокой температуре; кроме того, распределение углерода по сечению неравномерно.

Для неответственных деталей закалку производят непосредственно из цементационного ящика. В этом случае поверхностный слой детали имеет структуру крупноигольчатого мартенсита, а в сердцевине — крупное зерно доэвтектоидной структуры. После закалки производят низкий отпуск (150—170°).

Более ответственные детали после цементации охлаждают на воздухе л затем закаливают от температуры 850—900° (нагрев выше точки Ас3). При переходе через точки Асх и Ас3 зерна сердцевины и поверхностного слоя измельчаются, и в структуре закаленной детали будут мелкоигольчатый мартенсит (поверхностный слой) и мелкое зерно (сердцевина). Закаленные детали подвергаются низкому отпуску (150—170°).

Для особо ответственных деталей производят двойную закалку. Первая закалка — от температур выше точки Ас3 (850—900°) — имеет целью измельчить структуру сердцевины. Так как для этого нет необходимости в достижении критической скорости, то охлаждение ведут в масле или на воздухе (нормализация). Вторая закалка — от температур выше точки Асх (760—800°) — производится для того, чтобы придать поверхностному слою высокую твердость. В результате второй закалки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита, а сердцевина — структуру неполной закалки (сорбит-феррит).

Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина деталей, изготовленных из этой стали, независимо от скорости охлаждения будет.иметь структуру перлит + феррит. Поэтому в ответственных деталях, для получения прочной сердцевины (сорбит + феррит), применяют легированную сталь с меньшей критической скоростью закалки.

Азотирование. Азотирование представляет процесс поглощения поверхностным слоем деталей азота, в результате чего этот слой приобретает высокую твердость.

Азотированию подвергают легированную сталь, содержащую алюминий (А1), титан (Ti), вольфрам (W), ванадий (V), молибден (Мо) или хром (Сг), так как азотирование углеродистой стали не дает нужного эффекта. Количество легирующих компонентов обычно составляет 1,5-2%.

Азотирование, подобно газовой цементации, производится в специальных печах при температуре 500—600°. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в деталь с поверхности и вместе с перечисленными специальными элементами, а также с железом образует очень твердые химические соединения — нитриды (A1N, MoN, Fe4N и др.).

Продолжительность выдержки в камере при азотировании составляет 25— 60 час.; в этом основной недостаток азотирования.

Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией. Оно выполняется при сравнительно низкой температуре и не требует последующей закалки. Твердость азотированных изделий значительно превосходит твердость закаленной стали и определяется числом 1100—1200 по Виккерсу, а хрупкость азотированного слоя меньше цементированного и закаленного. Следует отметить также повышенную стойкость азотированных изделий против коррозии и усталости.

Вследствие этих преимуществ азотирование широко применяется как для стали, так и для чугуна.

Цианирование. Цианирование (процесс поглощения поверхностным слоем изделий одновременно углерода и азота) бывает жидкое и газовое.

Жидкое цианирование производится в ваннах с растворами цианистых солей (NaCN, KCN , Са (CN)2 и др.). При температуре процесса эти соли разлагаются, выделяя активные атомы С и N.

Низкотемпературное (550—600°) цианирование применяется, главным образом, для инструментов из быстрорежущей стали в целях повышения их стойкости и производится в почти чистых цианистых солях (NaCN + KCN ). Высокотемпературное (800—850°) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20—40-процентнье растворы цианистых солей в нейтральных солях NaCI, Na2C03 и др.; оно применяется для различных изделий так же, как и цементация.

Продолжительность жидкого цианирования колеблется в пределах от 5 мин. до 1 часа.

Недостатком жидкого цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что в состав газа добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование, так же как и жидкое, разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.

При низкотемпературном (500—700°) газовом цианировании преимущественно диффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в небольшом количестве. Этот способ, так же как жидкое низкотемпературное цианирование, применяется для обработки инструментов из быстрорежущей стали.

При высокотемпературном (800—850°) газовом цианировании в основном диффундирует углерод с образованием аустьНита, подвергаемого закалке. Преимуществами этого способа перед газовой цементацией являются более низкая температура процесса и меньшая его продолжительность.

Газовое цианирование (называется также нитроцементацией) — новый и более совершенный вид химико-термической обработки; оно получает все большее распространение.

Основными видами термической обработки поковок являются отжиг, нормализация и отпуск. Отжигом называют процесс нагрева стали до одной из температур в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения вместе с печью. В результате перекристаллизации при отжиге структура стали становится равновесной, повышаются ее пластичность и вязкость, снижается твердость и снимаются внутренние напряжения. Отжиг значительно улучшает обрабатываемость металла резанием и необходим для подготовки структуры к последующей термообработке, если она необходима.

В зависимости от температуры нагрева металла различают полный и неполный отжиг. Полный отжиг применяют для поковок из сталей с содержанием углерода более 0,4%, оконченных ковкой при пониженных или повышенных температурах. В первом случае он необходим для устранения полосчатой структуры (сильно вытянутые зерна), а во втором — для устранения крупнозернистости стали. В остальных случаях поковки подвергают неполному отжигу.

Нормализацией называют процесс нагрева стали до температуры выше интервала превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Нормализация улучшает структуру стали, уменьшает внутренние напряжения и повышает механические свойства. Нормализация низко- и среднеуглеродистых сталей (до 0,4% С) заменяет отжиг.

Отпуском называют процесс нагрева металла до температуры ниже интервала превращений, выдержки при этой температуре и охлаждения. Высокий отпуск (650—680 °С) применяют для снижения твердости, улучшения вязкости и пластичности поковок из некоторых марок высоколегированных сталей.

Цементация это насыщение поверхностного слоя стали

Многие детали работают в условиях повышенного износа поверхности. Поэтому есть необходимость эту поверхность как-то защитить. Это достигается методами поверхностного упрочнения.

Упрочнить поверхность – значит повысить свойства поверхности: твердость, износостойкость, коррозионную стойкость. Если надо изменить свойства, то это значит, что должна измениться структура поверхностного слоя. Для изменения структуры можно использовать деформацию, термическую обработку с нагревом различными способами, изменение химического состава поверхности, нанесение защитных слоев.
В основном методы упрочнения поверхностей можно разбить на две основные группы:
1) упрочнение изделия без изменения химического состава поверхности, но с изменением структуры. Упрочнение достигается поверхностной закалкой, поверхностным пластическим деформированием и другими методами.
2) упрочнение изделия с изменением химического состава поверхностного слоя и его структуры. Упрочнение осуществляется различными методами химико-термической обработки и нанесением защитных слоев.

Методы изменения структуры

Из методов упрочнения без изменения химического состава поверхности, но с изменением ее структуры, наиболее распространены способы поверхностной закалки и различные виды поверхностного пластического деформирования (ППД).
В сущности, деформация поверхности – это наиболее простой способ, при котором прочностные характеристики поверхности возрастают. Здесь использован следующий принцип. Если вспомнить кривую деформационного упрочнения, то окажется, что чем больше растягиваем металл, тем больше металл сопротивляется, тем больше сила растяжения Р_max (до определенного предела, конечно). Упрочняется металл и при кручении, и при сжатии. В технологиях ППД поверхностный слой металла деформируют (наклепывают) различными способами.
Основное назначение ППД – повышение усталостной прочности путем наклепа поверхности на глубину 0,2—0,4 мм. Разновидностями ППД являются дробеструйная обработка, обработка роликами, иглофрезерование, накатка рельефа и др.
Дробеструйная обработка — обработка дробью поверхности готовых деталей. Применяется для упрочнения деталей, удаления окалины. Дробеструйной обработке подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.
При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия. При усилиях на ролик, превышающих предел текучести обрабатываемого материала, происходит наклеп на нужную глубину.
Обработка роликами улучшает микрогеометрию изделия. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия. Обкатка роликами применяется при обработке валов, калибровке труб, прутков. На рис. 1 показан упрочненный поверхностный слой образца стальной оси железнодорожного вагона из стали 45. Микроструктура слоя представляет собой деформированные зерна феррита и перлита. Накатка роликом измельчила структуру, в поверхностном слое отдельные зерна неразличимы (рис.1,а). Там, где деформация была меньше, можно различить структуру, которая имеет направленность, характерную для деформации (рис.1,б). Глубину упрочнения контролируют по изменению микротвердости (рис.2).

а	б

Рисунок 1. Микроструктура поверхностного слоя стали 45 после накатки роликом

Рисунок 2. Изменение микротвердости по глубине поперечного сечения валов различного диаметра.

Иглофрезерование при помощи фрез, на поверхности которых находится от 200 тысяч до 40 миллионов плотно расположенных игл из высокопрочной стальной проволоки диаметром 0,2—0,8 мм, также позволяет проводить упрочнение поверхности деталей. Иглофрезерование применяют для обработки плоских и цилиндрических поверхностей, а также для очистки деталей от окалины. При иглофрезеровании тоже образуется упрочненный поверхностный слой (рис. 3). В данном случае упрочненный слой состоит из деформированных зерен феррита и перлита (рис.3, а). На поверхности, подвергавшейся обработке, видны следы фрезы (рис.3,б).

а	б

Рисунок 3. Микроструктура упрочненного слоя стали 20ХНР (а), исходное состояние-нормализация; поверхность после иглофрезерования (б).

Сущность поверхностной закалки состоит в том, что поверхностные слои стальной детали быстро нагревают выше температуры закалки, а затем охлаждают со скоростью выше критической. Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности при сохранении вязкой сердцевины. Нагрев, в принципе, может быть осуществлен разными способами. В промышленности самым распространенным способом поверхностного упрочнения является индукционная закалка с нагревом токами высокой частоты. Как правило, упрочненный слой виден уже при макроструктурном анализе (рис. 4). Слева – нетравленный участок образца. Он сильнее отражает свет при съемке, поэтому выглядит темным. Справа – участок после травления. Закаленный слой хорошо виден.

Рисунок 4. Фрагмент автомобильной детали; макроструктура

И при макроструктурном, и при микроструктурном (рис.5,а) анализе видно, что упрочненная зона состоит из 2 слоев: светлый у самой поверхности и далее более темный. Верхний светлый слой имеет структуру мартенсита закалки (рис.5,б). Мартенсит образовался при быстром охлаждении поверхности. Более темный слой – мартенсит отпуска (рис.5,в). Это тот мартенсит, который тоже образовался при ускоренном охлаждении, но дольше находился при повышенной температуре, чего оказалось достаточно для того, чтобы произошел отпуск. В сердцевине детали на разной глубине могут быть сорбит или троостит (рис.5,г).

а	б
в	г

Рисунок 5. Микроструктура слоя (на рис.4), полученного закалкой ТВЧ: а – слои мартенсита закалки и отпуска, б – мартенсит закалки, в- мартенсит отпуска, г – троостит и мартенсит в сердцевине.

Методы изменения структуры и состава

К методам упрочнения с изменением химического состава и структуры поверхности относится химико-термическая обработка (ХТО). Она заключается в насыщении поверхностного слоя стали различными элементами при высокой температуре. В зависимости от насыщающего элемента существуют следующие разновидности химико-термической обработки: цементация, азотирование, нитроцементация (цианирование), борирование, диффузионная металлизация (алитирование, хромирование, силицирование и т.д.). Общим для всех видов поверхностного упрочнения является повышение твердости поверхностного слоя. Выбор метода поверхностного упрочнения детали зависит от условий ее эксплуатации, формы, размеров, марки выбранной стали и других факторов.
Наиболее широко используется цементация – насыщение поверхности стали углеродом. Цементация придает поверхности стали высокую твердость и износостойкость при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Цементации обычно подвергаются детали, изготовленные из сталей с содержанием углерода до 0,25%, работающие в условиях контактного износа и приложения знакопеременных нагрузок: среднеразмерные зубчатые колеса, втулки, поршневые пальцы, кулачки, валы коробок передач автомобилей, отдельные детали рулевого управления и т.д.
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, уменьшающуюся от поверхности к сердцевине стальной детали. Поэтому структура, которая формируется при цементации в поверхностном слое, будет иметь разное соотношение перлита, феррита и цементита. Различают четыре основные зоны стального изделия после цементации (рис.6 ):

Рис. 6. Микроструктура углеродистой доэвтектоидной стали 10 после цементации.

1 – заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементитной сетки (рис.7а);
2 – эвтектоидная зона, представляющая собой перлит (рис.7б);
3 –доэвтектоидная зона, в которой по мере приближения к сердцевине уменьшается количество углерода, перлита, а количество феррита возрастает (рис.7в);
4 – исходная, без изменения после цементации, структура стального изделия .
За глубину цементированного слоя «h» принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половину доэвтектоидной зоны, где количество феррита и перлита составляет по 50%.

а	б	в

Рисунок 7. Структура зон цементованной детали: а – заэвтектоидная зона (цементит + перлит), б – зона эвтектоида (перлит), в – доэвтектоидная зона (перлит + феррит).

Рисунок 8. Изменение твердости в поверхностном слое после цементации и термической обработки

Азотирование представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя стали азотом и чаще всего проводится при температурах 500—600 о С. Азотирование, так же как и цементация, повышает твердость и износостойкость поверхности стали. На рис.9 показана серия отпечатков при измерении микротвердости на поперечном шлифе азотированного образца. Вверху – упрочненный слой (темная полоса). Диаметр отпечатков снижается по мере приближения к поверхности. Там твердость выше.

Рисунок 9. «Дорожка» отпечатков микротвердости; стальная деталь после азотирования

Азотированный слой как правило, имеет белый цвет. Сам слой при металлографическом травлении не изменяется, а под ним сталь имеет структуру, соответствующую термической обработке (рис.10). На рис.11 показана автомобильная деталь и изменение микротвердости по разным «зубьям».

Рисунок 10. Азотированный слой на стали 40ХГНМ

а	б

Рисунок 11. Автомобильная деталь (а) и изменение микротвердости (б) ее поверхностного слоя после азотирования

В настоящее время широко применяется плазменное и ионно-плазменное азотирование. Структура поверхностного слоя после такой обработки представляет собой мелкодисперсный мартенсит (1), под которым находится переходная зона (2); глубже располагается не изменившаяся структура (3) (рис. 12).

Рисунок 12. Структура поверхностного слоя после обработки плазмой азота; сталь У8А

Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве. Борирование приводит к существенному повышению твердости поверхности. Борирование проводят в порошковых смесях, электролизом. Есть также жидкостное безэлектролизное борирование, ионное борирование и борирование из обмазок (паст). Борирование чаще всего проводят при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930—950 °C, выдержка 2 — 6 часов.
На поверхности образца после борирования формируется плотный белый слой боридов (рис.13). Белый слой состоит из переплетающихся столбчатых кристаллов состава FeB и Fe₂B. На строение боридного слоя влияет состав стали. В стали 25ХГТ (рис. 13, а) и в стали 45 (рис. 13, б) между кристаллами боридов есть зона твердого раствора. В стали 40Х (рис. 13, в) слой составляют только протяженные иглы боридов. Между борированным слоем и сердцевиной формируется зигзагообразная граница раздела.

а	б	в

Рисунок 13. Структура борированных слоев в сталях 25ХГТ (а), 45 (б), 40Х (в)

19 Стали для цементации и нитроцементации

Цементация и нитроцементация – высокоэффективные и доступные процессы, поэтому они нашли широкое применение в промышленности. Цементация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом до эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации. Цементацию поводят выше точки А₃ в аустенитной области. Температурный интервал цементации, как правило, 930–960 ºС. Имеется положительный опыт применения для некоторых легированных сталей высокотемпературной цементации при 980–1050 ºС. При этом значительно ускоряется процесс цементации вследствие увеличения коэффициента диффузии углерода, однако одновременно растет зерно аустенита и увеличивается коробление деталей. Поэтому для высокотемпературной цементации необходимо применять стали с наследственно мелким зерном или легировать сталь элементами, замедляющими рост аустенитного зерна при нагреве (Ti, V). Оптимальное содержание углерода в поверхностном слое 0,8–1,0 %, но для увеличения контактной выносливости оно может быть повышено
до 1,1–1,2 %. Глубина цементованного слоя составляет 0,6–2,5 мм в зависимости от размеров и условий эксплуатации изделий. Она влияет прежде всего на контактную выносливость и усталостную прочность. При малой толщине слоя происходит продавливание, а при большой – снижается усталостная прочность изделия. Цементацию проводят в твердом, жидком и газовом карбюризаторе. Наиболее распространена газовая цементация. Цементации (нитроцементации) подвергаются шестерни, оси, зубчатые колеса, валы, измерительный инструмент и др. После цементации наиболее существенно возрастает твердость и износостойкость поверхностных слоев изделия, контактная выносливость, усталостная прочность. При этом сердцевина изделия должна быть мягкой и пластичной, что придает необходимую конструктивную прочность. Стали, применяемые для цементации, должны обеспечить: получение требуемого уровня свойств, достаточную прокаливаемость (особенно для деталей большого сечения), хорошую обрабатываемость давлением и резанием, минимальное изменение размеров и минимальное коробление при закалке, экономичность легирования.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08 – 0,25 % , что обеспечивает получение вязкой сердцевины. Для некоторых высоконагруженных деталей содержание углерода в стали может быть повышено до 0,35 % . С повышением содержания углерода в стали уменьшается глубина цементного слоя, увеличивается прочность и понижается вязкость сердцевины.

Легирующие элементы влияют на свойства сердцевины, прокаливаемость, скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя, концентрацию углерода в поверхностном слое, а также на структуру слоя и величину зерна. Влияние легирующих элементов на глубину слоя определяется, одной стороны, влиянием на значение коэффициента диффузии углерода в аустените, с другой стороны, на величину градиента концентрации углерода по сечению диффузионного слоя, зависящего от максимального содержания углерода в поверхностном слое.

Некарбидообразующие элементы, такие как Ni, Si, Co ускоряют диффузию углерода в аустените. В то же время, эти элементы снижают растворимость углерода в аустените и тем самым уменьшают максимальное содержание углерода в поверхностном слое. Наиболее сильно ускоряет диффузию углерода в аустените и понижает содержание углерода в цементованном слое кремний. Однако при более высоких температурах (1000, 1100 ºС) Si уменьшает коэффициент диффузии углерода в аустените.

Как правило, карбидообразующие элементы понижают коэффициент диффузии углерода в аустените. Например, в стали с 1,2 % Si и 1 % легирующего элемента при температурах, соответствующих интервалу цементации, наблюдается замедление диффузии углерода при легировании в такой последовательности: Mn, Mo, V, W, Cr. Карбидообразующие элементы повышают максимальную концентрацию углерода в поверхностном слое по сравнению с углеродистой нелегированной сталью, что связано с интенсивным карбидообразованием в поверхностном слое (рисунок 3.2.).

Глубина диффузионного слоя в значительно большей степени зависит от максимальной концентрации углерода в поверхностном слое, чем от коэффициента диффузии углерода в аустените. Поэтому легирование некарбидообразующими элементами уменьшает глубину цементованного слоя, а карбидообразующими – увеличивает ее (рисунок 3.3).

Цементуемые стали легируют комплексно карбидо– и некарбидообразующими элементами: Cr, Mn, Ni, Si и др. Cr, Mn, Si увеличивают прокаливаемость и упрочняют α–твердый раствор, т.е. повышают прочностные свойства сердцевины.

Рекомендуемые файлы

Рисунок 3.2. Распределение углерода по глубине цементованного слоя стали

1 – нелегировання сталь; 2 – сталь, легированная карбидообразующим

элементом; 3 – сталь, легированная некарбидообразующим элементом

Рисунок 3.3. Влияние легирующих элементов на глубину цементованного слоя после цементации при 925 ºС (А.П. Гуляев)

Весьма значительно повышает прокаливаемость бор, его вводят в количестве 0,001–0,005 %. Никель не только повышает прокаливаемость, но и увеличивает ударную вязкость цементованного слоя и сердцевины, а также снижает порог хладноломкости. Однако это дорогой и дефицитный элемент, поэтому его вводят в стали только для тяжелонагруженных деталей. С целью измельчения зерна вводят ванадий и титан (0,06–0,12 % V; 0,03–0,09 % Ti). Эти элементы задерживают рост зерна аустенита при нагреве и делают возможной непосредственную закалку с цементационного нагрева без перекристаллизации. Добавки молибдена до 0,3–0,5 % в хромоникелевые и хромомарганцевые стали увеличивают прокаливаемость. Введение кремния в хромоникелевые цементуемые стали позволяет повысить их ударно–усталостную выносливость посредством уменьшения глубины заэвтектоидной зоны и увеличения количества карбидов.

Для цементации используют как качественные конструкционные углеродистые стали (ГОСТ 1050–74), так и легированные (ГОСТ 4543–71). Углеродистые стали (08, 10, 15, 20 и др.) применяют лишь для малонагруженных деталей с рабочим сечением до 15–25 мм, работающих в основном на износ. Низколегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 15ХФ, 20ХМ и др. применяют для более нагруженных деталей с рабочим сечением до 35 мм. Легированные стали повышенной прочности 20ХГР, 12ХН2, 20ХНМ, 20ХГМ и др. предназначены для изготовления деталей сечением до 50–75 мм, работающих при высоких удельных нагрузках. К этой же группе относятся стали 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГНТР и др., микролегированные титаном. В этих сталях рост зерна аустенита при цементации сдерживается карбидами титана. Для тяжелонагруженных массивных деталей сечением до 100–120 мм, когда высокая поверхностная твердость должна сочетаться с высокой вязкостью сердцевины, применяют высоколегированные хромоникелевые стали типа 20ХНЗА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА. Однако вследствие дефицитности никеля стали с повышенным никелем заменяют малоникелевыми (например, стали 18ХГСН2МА и 18ХГСН2МВА используют взамен сталей 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А, а сталь 14ХГСН2МА вместо 12ХН3А и 12Х2Н4А).

Термическая обработка изделий после цементации заключается в закалке и низкотемпературном отпуске. Для деталей из мелкозернистых сталей, легированных титаном или ванадием, можно использовать непосредственную закалку с цементационного нагрева с подстуживанием при 840–860 ºС для уменьшения количества остаточного аустенита и коробления.

Детали из углеродистой или низколегированной стали, в которых наблюдается рост зерна в процессе цементации, подвергают после цементации закалке с повторного нагрева до температуры 760–800 ºС (неполной закалке). При этом измельчается зерно в цементованном слое, но феррит в сердцевине остается крупнозернистым (неперекристаллизованным). Для ответственных деталей проводят после цементации двойную закалку. При первой закалке (нормализации) с нагревом до 860–900 ºС (выше Ас₃ сердцевины) устраняется цементитная сетка и измельчается зерно в сердцевине. При второй закалке с нагревом выше Ас₁ (760–800 ºС) происходит измельчение зерна в поверхностном слое.

Высоколегированные хромоникелевые стали типа 18Х2Н4ВА после закалки сохраняют большое количество остаточного аустенита. Поэтому для них после цементации с охлаждением на воздухе или в контролируемой атмосфере применяют высокий отпуск при 640–660 ºС, 4–6 ч. При этом из остаточного аустенита выделяются карбиды и происходит их коагуляция. Тогда при нагреве до 780–800 ºС при последующей закалке в аустените растворяется небольшая часть карбидов, мартенситная точка поднимается и после закалки количество остаточного аустенита уменьшится. После закалки всегда проводится низкотемпературный отпуск при 180–200 ºС для уменьшения остаточных напряжений.

В легированных сталях после цементации и закалки кроме мартенсита и карбидов присутствует также остаточных аустенит, количество которого может быть значительным.

В небольшом количестве остаточный аустенит в цементованном слое может быть даже полезным, т.к. при этом повышается пластичность и особенно ударная выносливость, но при больших его содержаниях существенно снижается твердость стали, поэтому для высоколегированных цементуемых сталей в целях уменьшения количества остаточного аустенита проводят обработку холодом после закалки перед отпуском. После термообработки структура поверхностного слоя – отпущенный мелкоигольчатый мартенсит, вторичные карбиды и небольшое количество остаточного аустенита. В сердцевине легированных сталей микроструктура – отпущенный низкоуглеродистый мартенсит или бейнит. Твердость поверхностного слоя HRC 60–62, твердость сердцевины
HRC 30–40.

В связи с дефицитностью никеля разрабатываются безникелевые цементуемые стали типа 15ХГ2МФ, а также стали с частичной заменой никеля на марганец (типа 20ХГНМФ). Учитывая, что ванадий и титан являются дорогими элементами, их заменяют комбинацией азота и алюминия (например, 25ХГНМАЮ). В последнее время вместо никельсодержащих цементуемых сталей создаются низкоуглеродистые цементуемые марганцевые стали с метастабильным аустенитом типа 08Г(4–16)ТЮ. В этих сталях получают аустенитную структуру, армированную карбидами. В процессе деформации метастабильный аустенит превращается в мартенсит деформации, при этом достигается высокая износостойкость в условиях абразивного и ударно-абразивного воздействия. Новым направлением является также создание дисперсионно-твердеющих сталей, которые могут работать при повышенных температурах.

Часто проводят не цементацию, а нитроцементацию – одновременное насыщение поверхности изделия углеродом и азотом в газовой среде. Насыщение ведется в тех же газовых средах, что и при цементации (в эндогазе с добавкой природного газа или метана), но с добавлением небольшого количества (1–5 %) аммиака. Преимущества нитроцементации по сравнению с газовой цементацией связаны с возможностью проведения процесса насыщения при более низкой температуре (830–860 ºС), при этом скорость насыщения остается почти такой же, как и при газовой цементации при 930 ºС. Это объясняется возрастанием скорости диффузии углерода в присутствии азота. Снижение температуры насыщения позволяет сохранить в стали мелкое зерно аустенита и проводить непосредственную закалку (с температуры насыщения или с подстуживанием до 800–820 ºС), что уменьшает деформацию деталей при закалке. Использование более низких температур нагрева при нитроцементации повышает также срок службы печного оборудования. Кроме того, при нитроцементации за счет образования в диффузионном слое дисперсных карбонитридов повышается износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость стали; равнозначная с цементованными деталями прочность достигается при меньших толщинах слоев. За счет легирования твердого раствора азотом снижается критическая скорость закалки, что создает условия для применения ступенчатой закалки. Ступенчатую закалку проводят в горячем масле с температурой 120–180 ºС. Ступенчатая закалка уменьшает деформацию и стабилизирует размеры деталей за счет снижения температурных напряжений. После закалки проводят низкотемпературный отпуск. Толщина слоя при нитроцементации составляет 0,2–0,8 мм. При толщине слоя свыше 1 мм в диффузионном слое появляются дефекты структуры, которые резко снижают прочность деталей. Для нитроцементации применяются те же стали, что и для цементации, но с более высоким содержанием углерода (25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ и т.п.) для увеличения прочности сердцевины. Последнее исключает продавливание тонкого диффузионного слоя. Структура поверхностного слоя должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита с отдельными дисперсными частицами карбонитридов, азотистого цементита, карбидов и нитридов легирующих элементов и значительного количества остаточного аустенита.

Азот снижает температуру мартенситного превращения (каждые 0,1 % азота снижают ее на 18,5 ºС), поэтому в нитроцементованном слое легированных сталей может содержаться до 40–45 % остаточного аустенита, но при этом обеспечивается высокая усталостная прочность и контактная выносливость. Однако остаточный аустенит снижает поверхностную твердость деталей и их износостойкость.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое цементация и нитроцементация?

2. Какие требования предъявляются к сталям для цементации и нитроцементации?

3. Какова роль легирующих элементов в этих сталях?

4. Какое влияние оказывают легирующие элементы на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне?

5. Какие марки сталей применяются для цементации и нитроцементации?

6. Какова термическая обработка сталей после цементации и нитроцементации?

7. В чем преимущества нитроцементации перед цементацией?

8. Каковы современные направления в создании цементуемых сталей?

Лекция «11 Опухоли нервной системы» также может быть Вам полезна.

1. Гольдштейн М.И. Специальные стали /М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. – М.: МИСИС. – 1999. – 408 с.

2. Ляхович Л.С. Специальные стали: Учеб. пособие для вузов / Л.С. Ляхович. – Минск: Высш. шк., 1985. – 208 с.

3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин и др. – Москва: Металлургия, 1981. – 424 с.

4. Влияние термообработки на фазовый состав, структуру и свойства цементуемых низкоуглеродистых марганцевых сталей / Л.С. Малинов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. – № 3. – С.40–48.

Цементация стали

Цель работы . Ознакомиться с процессом цементации стали в твердой и газовой среде, с термической обработкой после цементации и свойствами цементованной стали.

Сущность процесса цементации

Цементация — это химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом.

Цель цементации — получение на поверхности детали высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязкой сердцевиной.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода 0,1 — 0,2 %. Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей углерод в активном состоянии. В результате изменения химического состава поверхностного слоя меняется также его фазовый состав и микроструктура. Основные параметры химико-термической обработки — температура и продолжительность выдержки. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины от поверхности. На поверхности концентрация углерода достигает 1,1 — 1,2 %. Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств вторичного цементита, сообщающего слою повышенную хрупкость. Глубина цементованного слоя зависит не только от температуры, при которой осуществляется процесс, но и от времени выдержки при этой температуре (рис. I).

Обычно скорость цементации составляет примерно 0,1 мм за 1ч выдержки. Поскольку глубина цементованного слоя редко требуется более 0,5 мм, процесс осуществляют,- за 8 — 12 часов. Цементацию проводят в твердом, жидком и газообразном карбюризаторах. Среда, поставляющая углерод к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется карбюризатором.

Твердая цементация производится в специальных ящиках, в которых детали 1 (см.рис.2) укладываются попеременно с карбюризатором 2. Ящики закрываются крышками и замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов.

В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или Березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО 3 или Nа 2 СО 3 (сода). При нагреве до температуры 930 — 950°С идут диффузионные процессы при которых образующиеся активные атомы углерода диффундируют в кристаллическую решетку железа. Процесс цементации в твердом карбюризаторе проводят выше Ас 3 , когда сталь находится в аустенитном состоянии, в котором растворяется до 2 % углерода. Процесс твердой цементации — продолжительная операция и занимает в зависимости от требуемой глубины цементации несколько часов. Такая продолжительность процесса объясняется

малой скоростью прогрева ящика, наполненного нетеплопроводным карбюризатором. Для контроля хода процесса цементации в ящик через отверстия вставляет два контрольных образца (свидетеля) 3, изготовленных из той же стали. По излому контрольных образцов судят, достигла ли глубина цементованного слоя заданной величины. Увеличение скорости цементации достигается применением цементации в газовых средах.

При газовой цементации (впервые была осуществлена Аносовым П.Д. на Златоустовском заводе) детали нагревают в герметичных печах в атмосфере углеродосодержащих газов. Для газовой цементации используют природный газ (содержит до 92 — 96 % метана) или искусственные газы, полученные пиролизом жидких углеводородов — керосина, бензола.

При газовой цементации герметически закрытая реторта печи наполнена цементирующим газом. Чаще с определенной скоростью через нее проходит цементирующий газ (рис. 3). Газовая цементация осуществляется в стационарных или методических (непрерывно действующих) конвейерных печах. Цементирующий газ приготовляют отдельно и подают в цементационную реторту.

В настоящее время газовая цементация является основным процессом для массового производства, и только для мелкосерийного, или единичного производства экномически целесообразен более простой способ твердой цементации.

Жидкая цементация производится в расплавленных солях, обычно в солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 — 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 — 0,5 мм. Основное достоинство процесса — возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий.

В условиях индивидуального и мелкосерийного производства некоторое применение нашла цементация из паст. В этом случае на обрабатывавшуюся поверхность наносится обмазка, содержащая сажу (33 — 70 %), древесную пыль (20 — 60 % ), желтую кровяную соль (5 — 20 %) и другие компоненты. В качестве связующих материалов используют органические, органоминеральные и неорганические клеи. Толщина обмазки должна быть в 6 — 8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя.

В качестве карбюризатора используют также керосин, бензол и некоторые масла. Интенсивность подачи определяют по

количеству капель жидкости в I мин и составляет от 120 — 180 капель.

Кроме перечисленных видов цементации в последние годы появились: цементация из паст, вакуумная цементация, цементация в псевдосжиженном слое, ионная цементация, которые предназначены для цементации деталей сложного профиля, ответственного назначения для сокращения длительности процесса.

Термическая обработка цементованных деталей

Полученный в результате цементации и последующего медленного охлаждения наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее — слой с феррито — перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.

Эти обстоятельства необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки, Целью термообработки цементованной стали является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины. В зависимости от назначения детали применяет различные варианты термической обработки. Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. 4,а).

Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает .грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито -перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей, применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Использование подстуживания при закалке до 750 — 800°С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

При более высоких требованиях к структуре детали после цементации: ее подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с нагревом выше А с3 и низкому отпуску (ряс. 4,6). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей — это нагрев выше A c 1 , но ниже А с m .

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 4,в). При первой закалке с температуры на 30 — 50°С выше Асз происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в цементованном слое растворяется.

При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того при второй закалке с температуры выше A c 1 на 30 — 50°С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое.

После такой термообработки поверхностный зазвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.

На рис. 5 показана структура стали, содержащей в исходной состоянии 0,15 % С, после цементации без дополнительной термической обработки (охлаждение после цементации было медленным). Микроструктура поверхностного цементованного слоя состоит из перлита и сетки цементита. По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита непрерывно уменьшается и ближе к центру образца — исходная структура стали, состоящая из феррита и незначительного количества перлита.

На рас. 6 и 7 показана структура цементованной стали после окончательной термической обработки, то есть нормализации при 900°С, закалки от 770°С и отпуска при 150°С. Структура поверхностного сдоя -мартенсит отпуска (см.рис. б). Структура сердцевины — мартенсит и феррит (рис. 7). Образец закалился насквозь, но так как закалка была произведена от 770°С, то для сердцевины это будет неполной закалкой и в структуре наряду с мартенситом встречается феррит (светлые зерна).

После цементации и термической обработки твердость поверхностных слоев составляет (НRC58 – 63).

Цементации подвергают разнообразные детали: зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, оси и другие детали, иногда значительных размеров (например, крупногабаритные кольца и ролики шарикоподшипников).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Ознокомиться с правилами техники безопасности.

Кратко изложить цель работы и теорию вопроса.

Измерить на приборе Роквелла твердость сталей до цементации и после цементации и термообработки.

Изучить и схематически зарисовать микроструктуры сталей, указать структурные составляющие.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

Что понимается под цементацией стали?

Какова цель цементации?

Какие стали подвергают цементации?

От чего зависит глубина цементованного слоя?

Для чего после цементации производится термообработка?

Что такое карбюризатор?

В чем суть твердой цементации?

Какие вещества активизируют процесс цементации?

Почему процесс твердой цементации более продолжителен по сравнению с газовой цементацией?

Какие вещества используются в качестве карбюризаторов при твердой и газовой цементации?

Какой способ цементации экономически целесообразен?

Преимущества и недостатки жидкой цементации?

Для чего производят термическую обработку цементованных деталей?

Какова структура слоев стали после цементации и термической обработки?

Каковы варианты термической обработки после цементации стали?

Какой термической обработке подвергают особо ответственные детали после цементации?

Какова структура цементованных сталей после термической обработки?

Какова твердость поверхностных слоев стали после цементации и термической обработки?