Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Выбор материалов и технологий в машиностроении

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ

Цементация сталей. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8—1%, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу. Твердость на поверхности — 7500—9500 НУ. Сердцевина детали, содержащая 0,08—0,25% С, остается вязкой, а поверхности, не подлежащие цементации, защищаются гальваническим омеднением. Толщина медного слоя составляет 0,02—0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и др.

Карбюризаторы. Исходную среду для цементации (науглероживания) принято называть карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, процесс цементации в твердом и газовом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20—25% углекислого бария для интенсификации процесса и 3—5% СаС03 для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковывают в контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи до 910—930 °С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

2С + 02 —> 2СО. (3.2)

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

ВаС03+ С -» ВаО + 2СО. (3.3)

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования

2СО <-» С02 + С, (3.4)

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а С02 взаимодействует с углем, образуя новые порции СО.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую среду. Основная ведущая реакция при наличии метана

СН4 —> 2Н2 + С. (3.5)

В ряде случаев (эндотермическая контролируемая атмосфера) при наличии в газе СО возможна также реакция

2СО —> С02 + С. (3.6)

В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может быть науглероживающей, обезуглероживающей и нейтральной. Нейтральному составу газовой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту концентрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируемой атмосферы. Следовательно, науглероживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше углеродного потенциала газовой смеси при данной температуре.

Структура цементованного слоя. Типичная структура цементованного слоя на поверхности низкоуглеродистой стали после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 3.7. Обычно ее сопоставляют со схемами, приведенными выше. Наружная часть слоя, содержащая больше 0,8% С, имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит, который при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе сетка). Средняя часть слоя, имеющая эвтектоидную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэв-

Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали, х200

Рис. 3.7. Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали, х200:

  • 1 — заэвтектоидная зона;
  • 2 — эвтектоидная зона;
  • 3 — доэвтектоидная зона

тектоиднои стали, причем количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине.

За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэв-тектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5—1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность.

Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.

Процесс газовой цементации идет быстрее, так как не приходится нагревать ящик с карбюризатором.

Кроме того, процесс газовой цементации легко регулируется и автоматизируется.

На заводах работают автоматизированные агрегаты для цементации, которые регулируют процесс по углеродному потенциалу.

Термическая обработка после цементации. Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали режим упрочняющей термической обработки может быть различен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес — высокую прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердце-вине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30—50 °С выше температуры Ас3 цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали установится аустенитное состояние. Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас3, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре /31, как видно на рис. 3.8, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому для предотвращения выделения цементита проводят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры /31] с превышением на 30—50 °С температуры АС|. В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

I

II

Ас

Режим термической обработки ответственных деталей машин

Рис. 3.8. Режим термической обработки ответственных деталей машин

после цементации (схема):

I — цементация; II — двойная закалка; III — низкий отпуск

т

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160—200 °С.

После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от леги-рованности стали. Если для цементации выбрана углеродистая сталь, то из-за малой прокаливаемости в сердцевине получится сорбитная структура; если же цементировалась легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бейнита или низкоуглеродистого мартенсита.

Если для цементации выбирают природно-мелкозернистые стали, и содержание углерода на поверхности близко к эвтектоидному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое. Однократная закалка широко используется на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе.

Выгодно и удобно в этом случае закалку проводить после цементационного нагрева. Цементованные детали подвергают шлифованию.

Азотирование сталей. Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению), чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500—600 °С в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.

Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.

При нагреве аммиака в изолированном объеме возможна лишь реакция с образованием молекулярного азота

21ЧН3 —> 1Ч2 + ЗН2, (3.7)

который не может диффундировать в сталь без ионизации.

Формирование структуры азотированной зоны в углеродистых сталях происходит примерно так же, как при азотировании железа. Поэтому, пользуясь диаграммой Ее—N (рис. 3.9), можно предсказать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей.

По мере насыщения железа азотом при температуре ниже 590 °С сначала образуется а-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой у'-фазы с ГЦК-решеткой и упорядоченным расположе-

Участок диаграммы Ре—N. Изменение содержания азота и фазового состава по толщине слоя при С

Рис. 3.9. Участок диаграммы Ре—N. Изменение содержания азота и фазового состава по толщине слоя при Сазот

нием атомов азота в центрах элементарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя е-фазы с ГП-решеткой и упорядоченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.

При медленном охлаждении после азотирования вследствие переменной растворимости азота в а- и е-фазах происходит выделение избыточной у'ц-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей: (е + у1 п) - у1 -- (а + У1 и) - ос

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой е-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Ре^ е- и у1-фазы имеют сравнительно невысокую твердость, соответственно 4500 НУ и 5500 НУ. Значительно большая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей — нитраллоев, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Сг, Мо, А1, V, Тг

При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования. При изотермической выдержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне.

Установлено, что при азотировании упрочнение а-фазы в легированных сталях происходит по механизму старения пересыщенных твердых растворов. При образовании полностью когерентных зародышей нитридной фазы в а-фазе легированных сталей наблюдается максимальная твердость.

Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирования легированной стали 38Х2МЮА. Комплексное легирование хромом, алюминием и молибденом позволяет повысить твердость азотированного слоя до 12 000 НУ.

Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования. При обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500—520 °С за 55 ч выдержки.

Такую же толщину зоны можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510 °С — 15 ч и 550 °С — 25 ч.

По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает величину контактных нагрузок на поверхность детали.

Одновременное насыщение поверхности сталей углеродом и азотом.

В ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определенные преимущества. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 °С и получить примерно такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания. Такой процесс называют нитроцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа с 3—5% аммиака, а в диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.

Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также проводить при температуре 820—860 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. В ванне, содержащей 20—25% ЫаСМ, 25—50% №С1 и 25—50% №2С03, за 1 ч выдержки при указанной температуре можно получить диффузионный слой толщиной примерно 0,3 мм, который после закалки от 820—860 °С из ванны и отпуска при 180 0,7% Си 1% N. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью.

Существенный недостаток цианирования — ядовитость цианистых солей, что требует принятия специальных мер по охране труда.

Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбонитрацию.

В зависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в следующих пределах: температура расплава 530—570 °С, время выдержки 5—30 мин.

Ионное азотирование и цементация сталей. Для активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование (азотирование в плазме тлеющего разряда).

При этом достигается значительное сокращение общего времени процесса (в 2—3 раза) и повышение качества азотированной зоны.

Процесс ионного азотирования ведут в стальном контейнере, который является анодом. Катодом служат азотируемые детали. Через контейнер при низком давлении пропускается азотсодержащая газовая среда (аммиак, азот и др.).

Вначале азотируемая поверхность очищается катодным распылением в разреженном азотсодержащем газе или водороде. При напряжении около 1000 В и давлении 13,33—26,66 Па (1—2 мм рт. ст.) ионы газа бомбардируют и очищают поверхность катода (деталей). Поверхность при этом нагревается до температуры не более 200 °С. Затем устанавливается рабочий режим в диапазоне основных параметров: напряжение 300—800 В, давление 133,3—1333 Па (1 — 10 мм рт. ст.), удельная мощность 0,7—1 Вт/см2. Поверхность детали нагревается до требуемой температуры (450—550 °С) в результате бомбардировки положительными ионами газа. Ионы азота поглощаются поверхностью катода (детали), а затем идет диффузия вглубь. Параллельно с этим протекает процесс катодного распыления поверхности, что позволяет проводить азотирование трудноазотируемых сплавов, самопроизвольно покрывающихся защитной оксидной пленкой, которая препятствует проникновению азота при обычном азотировании. Ионное азотирование инструментов из быстрорежущей стали повышает стойкость в 2—5 раз в зависимости от условий резания.

Наряду с ионным азотированием начинают применять ионную цементацию деталей. В отличие от ионного азотирования при ионной цементации требуется более высокая температура нагрева поверхности (900—1050 °С), что достигается либо увеличением удельной мощности, либо применением дополнительного внешнего нагрева цементуемых деталей. Исходной газовой средой являются углеводороды, которые разбавляются аргоном или азотом для предотвращения выделений сажи на насыщаемой поверхности. Сажа препятствует науглероживанию.

При ионной цементации, как и при ионном азотировании, наблюдается ускорение диффузионного насыщения, особенно в начальной стадии, и сокращение общей длительности технологического процесса по сравнению с традиционными способами цементации и азотирования.

Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами. Для

многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислительному действию рабочей или окружающей среды. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (алюминирование), хромирование и силицирование из порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, ак-тивизатор (МН4С1, 1ЧН4.1 и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем и др.) для предотвращения спекания смеси.

Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами, нагревают в печи до 1000—1200 °С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев заданных толщины и структуры.

Наряду с основными или ведущими реакциями протекают побочные, иногда нежелательные превращения. Так, во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:

МН4С1 —> МН3 + НС1;

МН3 —> 1/21Ч2 + 3/2 Н2;

НС1 + 2/3 А1 —> 2/3 А1С13 + Н2. (3.8)

Процесс алитирования различных сплавов происходит либо в результате выделения на насыщаемой поверхности алюминия по реакциям диспропорционирования, либо в результате взаимодействия субхлоридов А1С12 и А1С1 с элементами насыщаемых сплавов по реакциям типа

А1С12 + Ре^2/ЗА1С13+ 1/3 Ре3А1;

А1С14 + №—» 2/3 А1С13 + 1/3 № 3А1. (3.9)

В соответствии с приведенными реакциями в контейнере в ходе диффузионного насыщения алюминием восстанавливается А1С13, который вновь вступает в обратимые реакции.

На этом принципе основан циркуляционный метод диффузионного насыщения металлов различными элементами. Так, для алитирования в хлоридной среде достаточно в рабочую камеру установки, где находятся обрабатываемые детали и алюминий, ввести пары хлористого алюминия после удаления воздуха.

Циркуляционным методом можно проводить диффузионное насыщение не только алюминием, кремнием, хромом, но и рядом других элементов как в отдельности, так и совместно в специальной установке.

Движущая сила циркуляционного процесса — перепад парциального давления газа-переносчика диффундирующего элемента между зонами расположения исходного материала и насыщаемого сплава. Для получения равномерных покрытий на деталях в муфеле циркуляционной установки поддерживается реверсируемое движение газовой среды.

Для получения многокомпонентных покрытий в рабочую камеру установки загружают одновременно несколько диффундирующих элементов, проведя предварительно термодинамический расчет состава образующейся газовой смеси.

Наиболее широко используется борирование сталей в расплавах буры с добавками восстановителей-карбидов бора и кремния. Насыщение бором проводят при температуре 850—1050 °С в течение 2—10 ч. Электролизное борирование в расплавленной буре значительно ускоряет процесс диффузионного насыщения. Катодом являются борируемые детали, анодом — графитовые электроды либо тигель из коррозионностойкого сплава.

Алитированию, хромированию и силицированию подвергают сплавы на железной, никелевой и других основах. Эти диффузионные покрытия способны защищать детали от окисления при высоких температурах, так как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные пленки из А1203, Сг 203 и 5Ю2, препятствующие диффузии кислорода.

Хромирование среднеуглеродистых сталей (0,3—0,4% С) приводит к повышению поверхностной твердости и износостойкости, так как на поверхности образуется тонкий слой (0,025—0,030 мм) карбида (Сг, Ре)23С6 с твердостью 12 000—13 000 НУ. Несмотря на низкую твердость (2000—3000 НУ), силицированный слой хорошо сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170-200 °С.

Наибольшей стойкостью к действию 10%-ного водного раствора азотной кислоты обладают хромотитанированные и хромоалитированные стали. Несколько уступают им хромированные и хромотитаноалитированные стали.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

  • 1. Какие виды термической обработки вы знаете?
  • 2. Для чего применяется отжиг первого рода?
  • 3. Что такое пережог стали?
  • 4. Назовите особенности мартенситного превращения в сталях.
  • 5. Как выбирается режим закалки в доэвтектодных сталях? Почему?
  • 6. Как выбирается режим закалки в заэвтектоидных сталях? Почему?
  • 7. Назовите способы закалки сталей.
  • 8. Какие превращения протекают в закаленных сталях при нагреве?
  • 9. Какие виды отпуска вы знаете?
  • 10. Для чего проводится цементация сталей?
  • 11. Какими свойствами обладают стали после азотирования?
  • 12. Назовите преимущества ионного азотирования.
  • 13. Чем отличается нитроцементация от цианирования?
  • 14. Что представляет собой технология диффузионного насыщения сплавов металлами и неметаллами?
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 
Популярные страницы