Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Химико-термическая обработка сталей

15.11.2018

Такие виды XTO, как цементация, нитроцементация, азотирование, применяют для стальных изделий с целью получить свойства, необходимые при эксплуатации деталей в сложнонагруженных условиях: твердость, износостойкость при хорошем сопротивлении ударным нагрузкам, а также сопротивление циклическим и циклическим контактным нагрузкам.

Процесс цементации (науглероживания) проводят на сталях, содержащих 0,08...0,25 % С. Это могут быть как углеродистые, так и легированные стали. В результате цементации концентрация углерода в поверхностном слое возрастает до 0,8...1,4 %.

Наиболее распространенные детали, подлежащие XTO: зубчатые колеса, пары трения, кулачки, опоры валов под посадку подшипников.

Согласно технологии проведения цементации, заготовку нагревают при температуре 900...1000 °С; время выдержки зависит от марки стали и той толщины слоя, которую следует получить для данной детали. Например, на низкоуглеродистых сталях науглероженный слой глубиной 2 мм при температуре 900 °C формируется за 16 ч, при температуре 950 °C — за 10 ч. Длительный высокотемпературный нагрев в аустенитной области обусловлен скоростью диффузии углерода в аустените и необходимостью достижения слоев требуемой протяженности за приемлемое в производственной практике время.

Насыщающая среда при цементации называется карбюризатором. Он может быть твердым, жидким, газообразным; при этом цементация всегда протекает через газовую фазу. В насыщающей среде протекают следующие реакции.

В твердой фазе карбонат бария взаимодействует с углеродом с образованием закиси углерода:

BaCO3 + C —> BaO + 2СО


На поверхности детали протекает ведущая реакция:

2СО —> CO2 + С


При газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ (основная его часть — метан), тогда реакция имеет вид

CH4 —> 2H2 + С


В ряде случаев исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде. Углерод в виде ионов переносится на насыщаемую поверхность и адсорбируется на ней. Проникновение ионов углерода в глубь изделия, т. е. диффузионное насыщение, происходит в аустенитной области.

Скорость охлаждения после выдержки при температуре цементации — замедленная, охлаждение ведут с печью. Толщина упрочненного слоя после цементации составляет 1,5...2 мм, но может достигать и 6 мм. Таким образом, после цементации сталь имеет структуру отжига.

Фазовый состав стали после цементации определяется содержанием углерода в диффузионной зоне и в сердцевине детали (рис. 13.17):

• в приповерхностном слое содержится 0,8...1,0 % С, что соответствует заэвтектоидной стали, и поэтому структура представляет собой перлит и вторичный цементит (по границам зерен);

• при приближении к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали (П+Ф) (см. рис. 13.17).

Для характеристики слоя с повышенным содержанием углерода после цементации принят количественный параметр. Это так называемая эффективная толщина цементованного слоя hэф. Обычно эффективная толщина цементованного слоя составляет 0,5...1,8 мм (максимально — до 6 мм), а твердость 58...62 HRC.

Структура стали после цементации определяется длительной выдержкой при повышенной температуре: по всему сечению детали она получается крупнозернистой, а в приповерхностном слое цементит присутствует в виде крупных частиц по границам зерен. Таким образом, после цементации сталь имеет повышенное содержание углерода на поверхности, что придает ей высокую твердость. Однако полученная структура не имеет запаса пластичности и ударной вязкости.

Для обеспечения работоспособности цементованного изделия проводят сложную термическую обработку, цель которой состоит в исправлении неблагоприятной структуры и изменении свойств. Существуют два варианта термической обработки после цементации.

Вариант 1. Для тех деталей машин, которые в процессе работы испытывают высокие контактные и динамические нагрузки, необходимо обеспечить высокую прочность и повышенную ударную вязкость, чего достигают при получении мелкозернистой структуры по всему сечению. С этой целью проводят две закалки — полную и неполную.

Задача первой закалки состоит в осуществлении перекристаллизации в сердцевине заготовки, а также растворении цементита в диффузионной зоне. Нагрев проводят при температурах на 30...50 °C выше Ас3 для цементуемой стали. В результате получают измельчение зерна в сердцевине и отсутствие карбидной сетки в диффузионной зоне (рис. 13.18).

Задача второй закалки состоит в измельчении зерна и изменении формы частиц цементита на глобулярную в диффузионной зоне. При этой закалке нагрев проводят при температурах выше Ac1 (как для заэвтектоидных сталей).

Заключительным этапом термообработки изделий из цементуемых сталей является низкий отпуск, при котором снижаются остаточные напряжения без снижения твердости поверхностного слоя.

Фазовый состав цементованной заготовки после полной термообработки различается в сердцевине и диффузионной зоне. В поверхностном слое находятся отпущенный мартенсит и цементит в глобулярной форме, а в сердцевине — сорбит, если используется углеродистая сталь с низкой прокаливаемостью, и мартенсит + феррит, если применяется легированная сталь.

Микроструктура поверхностного слоя после цементации и после термообработки показана на рис. 13.18.

Вариант 2. В случае выбора для цементации наследственномелкозернистых сталей и для заготовок деталей менее ответственного назначения применяют однократную закалку и низкий отпуск. Однократная закалка широко распространена в условиях массового производства. Иногда ее проводят, начиная с температуры цементационного нагрева. Окончательной обработкой является низкий отпуск.

«Двухслойная» структура всей цементованной заготовки обусловливает сжимающие напряжения в поверхностном слое, наличие которых на поверхности особенно благоприятно для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок.

Нитроцементация — химико-термическая обработка сталей, состоящая в одновременном насыщении их углеродом и азотом.

При нагреве в аустенитной области азот способствует ускорению диффузии углерода, что дает возможность снижения температуры насыщения. Благодаря этому уменьшается степень окисления в процессе XTO и коробление при охлаждении, предотвращается рост зерна.

Задача нитроцементации состоит в повышении твердости, износостойкости, коррозионной стойкости стальных деталей.

Технологией нитроцементации предусмотрено применение такой насыщающей среды, как углеродсодержащий газ с 3...5 % аммиака; нагрев в аустенитную область до температур, не превышающих 880 °C (обычно 840...860 °С), продолжительность процесса 4...10ч.

Термическая обработка заключается в закалке непосредственно с температуры нитроцементации. Завершающей операцией является низкий отпуск.

В результате нитроцементации глубина диффузионного слоя составляет 0,3...0,8 мм. Нитроцементованные изделия отличаются высоким пределом выносливости, а степень их коробления меньше, чем у изделий после цементации.

Нитроцементации подвергают низкоуглеродистые и низколегированные стали. Этот процесс получил широкое распространение в автомобильной и автотракторной промышленности для не-шлифуемых деталей сложной формы.

Разновидностью процесса нитроцементации является цианирование — ХТО, которую проводят в расплавах солей, содержащих цианистый натрий. По сравнению с цементацией данный процесс более производителен, а цианированные изделия имеют более высокие износостойкость и предел выносливости. Однако существенным недостатком процесса является сильная токсичность цианистых солей.

Карбонитрация — процесс одновременного насыщения азотом и углеродом в расплавах нетоксичных солей.

Азотирование — процесс насыщения сплавов азотом из газовых сред. Технология процесса (температура, продолжительность), а также сопутствующая термическая и механическая обработка, химический состав подвергаемых азотированию сталей отличаются от процесса цементации; иными являются и окончательные свойства азотированных изделий по сравнению с окончательными свойствами цементованных заготовок.

Азотирование применяют для титановых сплавов и сталей, содержащих хром, молибден, алюминий — более сильные нитридообразующие элементы, чем железо. Поэтому азотированию подвергают низко- и среднеуглеродистые легированные стали таких марок, как 38ХМЮА, 20Х2Н4ВА, 30Х3ВА и др.

Азотирование проводят в среде аммиака, который при нагреве диссоциирует в соответствии с реакцией

2NH3 —> N2 + 3Н2

Нагрев проводят в a-области при температуре 500...600 °C. Длительность процесса азотирования составляет до 24...60 ч (из-за пониженной по сравнению с цементацией температуры насыщения).

Преимуществом азотирования является то, что после этого процесса не требуется дополнительной термообработки. Упрочняющую термообработку проводят либо до азотирования, либо совмещают последний этап упрочняющей термообработки (старение или отпуск) с процессом азотирования.

Ввиду повышенной длительности процесса азотирования стоимость его проведения выше, чем цементации. Этот вид XTO применяют для обработки ответственных деталей — коленчатых валов, гильз цилиндров, червяков, деталей сложной формы и тонких сечений, которые не подвергают последующему шлифованию.

К недостаткам процесса относят большую длительность процесса; более низкие контактные нагрузки, чем для цементованных изделий, ввиду меньшей толщины упрочненного слоя.

Современным прогрессивным способом азотирования является ионное азотирование. Его проводят в специальных установках, в которых сами изделия служат катодом, стенки вакуумной камеры — анодом. В атмосфере чистого азота при давлении 500...1300 Па и напряжении 300...800 В под воздействием тлеющего разряда происходит ионизация азота. В результате бомбардировки положительными ионами заготовка разогревается до заданной температуры и азотируется. Преимуществами ионного азотирования являются экономичность, хорошая управляемость процесса, применимость не только к легированным, но и к коррозионно-стойким сталям, высокая производительность.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: