CO®CO2 + C (атомарный)

План

-Назначение и общие закономерности диффузионного насыщения поверхности металлоизделий. Методы ХТО.

-Цементация стали;

-Азотирование стали;

-Нитроцементация и цианирование;

-Борирование стали;

-Ионная ХТО сплавов;

-Диффузионное насыщение поверхности изделий металлами и неметаллами. Циркуляционный метод ХТО.

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в сочетании термического и химического воздействия на обрабатываемый металл или сплав в результате чего изменяются химический состав и структура в поверхностных слоях металла изделий. Во время выдежки в активной среде поверхностные слои металла изделия диффузионно насыщаются элементами из внешней среды. Но при ХТО возможен и обратный процесс, когда из металла удаляются вредные примеси (например, углерод из трансформаторного железа или водород из титана). В промышленности широко используют насыщающую ХТО в твердой, жидкой и газообразной активных средах, а также из паст. Наиболее широкое распространение получили процессы ХТО, при которых металл изделий насыщается углеродом и \ или азотом. Углерод и азот растворяясь в железе по способу внедрения сравнительно быстро диффундируют с поверхности металлу на требуемую глубину, а последующие режимы термообработки резко изменяют структуру и свойства слоя металла, насыщенного этими элементами, по сравнению с исходным металлом. Это позволяет получать после цементации, закалки и отпуска на рабочей поверхности деталей слой металла с высокой твердостью, износостойкостью, эрозионной стойкостью, контактной выносливостью и усталостной прочностью при изгибе. Металл деталей, находящийся под таким слоем, обладает достаточно прочным состоянием при приемлемых значениях пластичности и вязкости, что придает в целом деталям высокую конструктивную прочность.

При проведении ХТО можно выделить три процесса, одновременно идущих в поверхностных слоях обрабатываемых изделий:

-образование химического элемента в активированном атомарном состоянии в результате разнообразных химических реакций, а также испарения. В случае, если ХТО проводится в жидком расплаве эта стадия отсутствует;

-адсорбция (поглощение) атомов из активной среды металлом поверхности изделия;

-диффузия адсорбированных атомов от поверхности в глубь металла - самый медленный процесс.

Диффузию при ХТО, в зависимости от природы образующихся в поверхностном слое металла изделия фаз, подразделяют на:

-атомную, под которой понимается диффузия элементов в твердом растворе или химическом соединении переменного состава, в процессе которой изменяется только концентрация элементов;

-реакционную, в процессе которой на поверхности металлоизделий образуются новые фазы (химические соединения или новые аллотропические модификации).

При ХТО концентрация активного элемента в любой точке диффузионной зоны от поверхности обрабатываемого металла изменяется в соответствии с о вторым законом Фика. В реальных процессах ХТО параболический закон роста диффузионной зоны описывается формулой – x=K ÖDt, (где –D коэфф. диффузии; t- время выдержки; К- константа) т.е. глубина диффузионной зоны изменяется пропорционально корню квадратному из времени выдержки при постоянной температуре. Таким образом для увеличения глубины слоя, например втрое, время выдержки надо увеличить в девять раз.

Факторы, влияющие на процесс диффузии при ХТО:

- кристаллическая структура растворителя – диффузия таких элементов как углерод, азот, цинк, хром, молибден, вольфрам и др. протекает в a-железе быстрее, чем в g-железе;

- природа диффундирующего элемента – с увеличением атомного диаметра диффундирующего элемента энергия активации диффузии возрастает. Наибольшим коэффициентом диффузии в железе обладают элементы с малым атомным диаметром (водород, азот, углерод, бор), образующие твердые растворы внедрения;

- концентрация диффундирующего элемента – влияет как на коэффициент диффузии элемента, так и на коэффициент самодиффузии основного металла. Например, углерод ускоряет самодиффузию железа – в стали с концентрацией углерода 1,1% коэффициент самодиффузии железа при 960⁰С в 16 раз больше, чем в безуглеродистом железе. Коэффициент диффузии углерода при температуре 1127⁰С в стали с концентрацией углерода до 0,8% меняется мало, а при увеличении концентрации углерода до 1,7% резко увеличивается;

- наличие в основном металле легирующих элементов. Введение в основной металл легирующих элементов может либо ускорять, либо замедлять скорость диффузии насыщающего элемента. Диффузию углерода в аустените увеличивают некарбидообразующие элементы – никель, кобальт (кремний увеличивает диффузию углерода в аустените до ≈950⁰С, а при повышении температуры замедляет),медь, сера, фосфор, а карбидообразующие элементы (марганец, молибден, ванадий, хром, вольфрам и др.) замедляют ее, при этом вольфрам более сильно замедляет (≥2 раза) диффузию углерода по сравнению с молибденом, а хром в 20 раз замедляет диффузию углерода по сравнению с марганцем. Кислород замедляет диффузию углерода, но повышает диффузию азота, а азот повышает диффузию углерода. Углерод существенно замедляет диффузию многих элементов в железе.;

- направленность диффузии. Диффузия в металлах может осуществляться по поверхности изделия, по границам зерен и по объему зерен, при этом наибольший коэффициент диффузии характерен для диффузии элементов по поверхности, среднее значение его установлено для границ зерен и минимальное значение – для диффузии по объему зерен;

- дефектность кристаллической решетки основного металла. Наличие в металле изделий внутренних напряжений и дефектов решетки ускоряет диффузию элементов. Значительно ускоряет диффузию предшествующая ХТО деформация. Известно, что скорость диффузии никеля в медь после ее деформации повысилась в 1000 раз. Ускорение диффузии элементов отмечается главным образом по плоскостям сдвига и границам зерен. Повышение плотности дислокаций приводит к увеличению скорости диффузии, что связывают и с повышением концентрации вакансий, сопровождающих этот процесс;

- скорость нагрева изделий. Повышение скорости нагрева металла при ХТО ускоряет процесс насыщения и увеличивает глубину проникновения насыщающими элементами, что связывают с изменением условий образования аустенита и размерами его зерен и субзерен (с увеличением скорости нагрева протяженность границ возрастает из-за измельчения зеренной и субзеренной структуры, что ускоряет диффузию);

- форма и размер насыщаемой поверхности. Отмечается максимальная концентрация насыщающего элемента в поверхностном слое цилиндрических деталей и минимальная в случае ХТО поверхностей с обратной кривизной (например, поверхность стенок отверстий), средняя для плоской поверхности. Размер обрабатываемой детали (играет роль в большей мере толщина изделия) отражается на скорости диффузии следующим образом, при сквозном проникновении насыщающих элементов в металл диффузионные потоки сходятся в центре толщины металла детали и после этого замедляется отвод элементов в глубь детали, а происходит ускорение насыщения поверхностного слоя металла (в отличие от несквозного насыщения металла изделия, когда часть насыщающего элемента уходит в глубинные слои);

- магнитное превращение и воздействие излучений. Установлено на сталях и сплавах, что колебания температуры вблизи точки Кюри ускоряют процесс диффузии. Считают, что повышение плотности дефектов кристаллической решетки (в первую очередь вакансий и внедренных атомов) при радиационном воздействии на металл должно привести к увеличению скорости диффузии.

Основываясь на физико-химической характеристике активной фазы, из которой поставляется диффундирующий элемент, Дубинин Г.Н. предложил классификацию методов ХТО:

-насыщение из твердой фазы;

-насыщение из паровой фазы;

-из газовой фазы;

-из жидкой фазы.

По характеру изменения химического состава металла обрабатываемого изделия все разновидности ХТО можно разделить на три группы:

-диффузионное насыщение неметаллами;

-диффузионное насыщение металлами;

-диффузионное удаление элементов.

Эти группы включают разнообразные промышленные процессы ХТО (см. табл.).

Таблица. Разновидности ХТО

Диффузионное насыщение неметаллами	Диффузионное насыщение металлами	Диффузионное удаление элементов
Науглероживание (цементация) Азотирование Цианирование Нитроцементация Борирование Силицирование Сульфидирование Сульфоцианирование Насыщение кислородом поверхности Внутреннее окисление-насыщение кислородом всего обьема металла с целью образования дисперсных оксидов	Алитирование Хромирование диффузионное Хромоалитирование Цинкование диффузионное Меднение диффузионное Титанирование Бериллизация Ванадирование	Обезводороживание Обескислороживание Обезуглероживание Комплексное удаление примесей

Цементация - науглероживание металла поверхностного слоя изделий (обычно на глубину 0,5 - 2мм) – с целью обогащения поверхностного слоя металла углеродом до ̴ 0,8-1,0% (для высокохромистых нержавеющих до 2,5-3,5%С).

При содержании углерода в металле поверхностного слоя 0,75-0,85% механические свойства деталей после закалки и отпуска существенно возрастают.

Последующая после цементации закалка позволяет получать в поверхностном слое металла высокоуглеродистый мартенсит и остаточный аустенит, а после отпуска троостит или сорбит. Цементации подвергают стали (углеродистые и легированные) с содержанием углерода обычно до 0,25%, но для ответственных цементуемых деталей могут применять стали до 0,35%С, снижая при этом глубину науглероженного слоя. В технической литературе стали, подвергаемые цементации так и называются – цементуемые.

Традиционно для цементации используются:

-малоуглеродистые стали (качественные: 08; 10; 15; 20 или обычного качества: Ст.2 - Ст.5 и др.);

- автоматные (А12; А15; А20);

- малоуглеродистые низколегированные (средней прочности с 0,12-0,15%С: 15-20Х; 15ХФ; 15-20ХМ; 20ХТ; 18ХГТ; 12Х2Н2 и др. – температура цементации 850-980⁰С; повышенной прочности с 0,12-0,20%С: 18ХМА; 15Х2ГН2ТА; 20ХГР; 15ХГНВА и др.- температура цементации 850-1000⁰С; высокой прочности с 0,12-0,30%С: 25-30ХГТ; 18Х2Н4ВА; 22ХГНМАЮ и т.д.- температура цементации 900-1100⁰С);

- малоуглеродистые высокохромистые (10Х13; 10Х17; 20Х13; Х17Н2; 12Х12НВМА и др. - температура цементации 900-1000⁰С);

- инструментальные штамповые полутеплостойкие и теплостойкие стали: 50ХНМ; 50ХНВ; 40ВФС; 45Х5В4МФС и др. - температура цементации 800-1100⁰С; быстрорежущие и шарикоподшипниковые стали - температура цементации 1000-1250⁰С;

-детали из графитизированных сталей (60С2)- температура цементации 800-1000⁰С;

- ковкий серый и высокопрочный чугун - температура цементации 730-950⁰С.

Активная среда, в которой происходит процесс науглероживания, называется карбюризатором. Используются карбюризаторы, обеспечивающие получение газовой среды CH₄ +CO. Карбюризатор может быть:

-твердым (самый простой – древесный (березовый или дубовый) уголь с добавкой 20-25% BaCO₃ или Na₂CO₃ и 3,5-5% CaCO₃- ГОСТ2407, возможно использовать каменноугольный (торфяной) полукокс в смеси с 10-15% BaCO₃ и 3,5% CaCO₃- ГОСТ5585, зернистость 3,5-10мм, влажность не более 5-6%. Рабочая смесь состоит из 25-30% свежего карбюризатора и 70-75% отработанного. Содержание BaCO₃ в рабочей смеси 5-7%. Процесс происходит при 880-1000⁰С);

-жидким -осуществляется в ванне с 75-80% Na₂CO₃+10-15% NaCl+6-10% SiC. Карбид кремния добавляется после расплавления смеси солей. Восстановление состава ванны производится после 3 часов путем добавки 0,5-1,0% SiC от веса солей и Na₂CO₃ до требуемого уровня ванны. Процесс происходит при 870-900⁰С;

- газообразным – естественный газ CH₄, пропано-бутановые смеси вместе с газом-разбавителем; возможно использовать газы, получаемые при разложении керосина, бензола, пиробензола, различных масел, синтина, триэтаноламина, которые при крекинг-пиролизе в специальных установках при отсутствии кислорода образуют газовую науглероживающую среду, либо непосредственно в муфеле печию Процесс происходит при 930-960⁰С, может использоваться и высокотемпературная цементация –от 1000⁰С и выше;

Применяется также цементация из паст.

Для цементации в твердом карбюризаторе нагрев емкостей с карбюризатором и деталями может обеспечиваться различными способами и применением термического оборудования, имеющегося в наличие (газовые и электрические печи сопротивления, индукционные печи, токи высокой частоты (ТВЧ). Используется также и цементация в кипящем слое, значительно повышающая производительность процесса

При цементации в твердом карбюризаторе изделия небольших размеров укладываются в металлические ящики, конструкция которых может быть самая различная, но главным требованием является обеспечение герметичности. Для промышленного использования рекомендуют смесь из 20-25% свежего и 75-80% отработанного карбюризатора. Ящик с изделиями и карбюризатором помещается в печь и производится нагрев до температур»910-930⁰С (иногда до 1000⁰С), производится выдержка (обычно в пределах 4-20 часов), достаточная для науглероживания металла на заданную глубину и последующая обработка. Продолжительность цементации для достижения высокоуглеродистого слоя металла глубиной 0,4-0,7мм – 4-5 часов; для глубины слоя 2,0-2,4мм – 19-24час.

При нагреве карбюризатора на основе древесного угля (ГОСТ 2407-51, содержащего: древесный уголь фракцией 3,5-10мм - 92-%; углекислый барий,BaCO₃-20-25%; углекислый кальций, СaCO₃ (3,5%) - для предотвращения спекания частиц; <0,06% S; <0,5% SiO₂; <5% H₂O), взаимодействующего с кислородом воздуха в ящике, происходит химическая реакция, при которой образуется окись углерода:

2C(уголь)+O₂®2CO,

которая в контакте с металлом изделия разлагается и дает атомарный углерод:

Образующаяся двуокись углерода взаимодействует с древесным углем и вновь образует окись углерода, которая разлагается с образованием атомарного углерода и таким образом обеспечивается непрерывный процесс науглероживания поверхности металла изделий. Протекание реакций

Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия по параболическому закону.

Добавка в карбюризатор углекислого бария BaCO₃, натрия Na₂CO₃ (добавки-активизаторы до 4-5%) интенсифицирует процесс цементации за счет дополнительного выделения атомарного углерода:

BaCO₃+C®BaO+2CO и 2CO®CO₂ ®C (атомарн.)

В качестве активизаторов цементации в древесном угле могут также использоваться: K₂Cr₂O₇; KMnO₄; Ba0; BaSO₄ BaS и др.

Рекомендуются к использованию составы твердого карбюризатора, содержащего:

-10-15% древесного угля, 78-80% полукокса и 5-10% активизатора цементации - ацетата бария (Ba(CH₃COO)₂ либо ацетата натрия (CH₃COONa). Ацетат бария при нагреве разлагается с образованием углекислого бария и ацетона - Ba(CH₃COO)₂®BaCO₃+2(CH₃)₂CO. Ацетон разлагается на атомарный углерод, метан и окись углерода - 2(CH₃)₂ CO®3CH₄ +2CO+С.

- 90-95% полукокса и 5-10% ацетата бария.

Детали для цементации обычно предварительно проходят механическую обработку с припуском на грубую и окончательную шлифовку (до 0,25мм) либо только на окончательную шлифовку (0,05-0,15мм). Изоляция поверхностей деталей, не подлежащих цементации, осуществляется различными способами: гальваническое малопористое меднение или хромирование, обмазки (например, 2,5ч однохлористой меди+1ч свинцового сурика, замешанные на растворе из 1л этилового спирта или бензина и канифоли, 250г; тальк 70ч+каолин 30ч; песок 41ч+глина 43ч+натриевая селитра 3ч+бура 10ч+ окись свинца 3ч и т.д. Составы могут разводить и на жидком стекле). Отверстия в деталях, не подлежащие цементации, забивают обычно асбестом или глиной. Процесс науглероживания деталей контролируется в течение выдержки по пруткам-свидетелям, вставляемым в ящики при посадке их в печь (периодически извлекаются с определением глубины цементованного слоя). После цементации ящики с деталями в карбюризаторе извлекают из печи с температурой 950-1000⁰С. Дальнейшая обработка деталей после цементации может вестись по различным схемам (рис.):

-ящики вскрывают, извлекают детали и либо закаливают с температуры цементации, либо помещают их в печь для уменьшения (до 820-840⁰С) и выравнивания температуры, а после выдержки закаливают. После закалки детали подвергают отпуску;

-ящики извлекают из печи и они вместе с деталями остывают, затем их разбирают и детали садят в печь для нагрева под закалку с температур, обеспечивающих мелкое аустенитное зерно, закаливают и отпускают.

Рис. Графики режимов термической обработки, которые используются на практике после цементации стальных деталей

При использовании жидких карбюризаторов, например, керосина, синтина (синтин, наиболее эффективный искусственный карбюризатор, в преобладающей степени содержащий смесь углеводородов парафинового ряда, получается каталитической реакцией синтеза из окиси углерода и водорода) они через трубопровод каплями подаются в рабочее пространство, где происходит их разложение (крекинг-пиролиз-см.табл.) и науглероживание поверхности металла.

При газовой цементации, которая используется в массовом производстве изделий, применяются природный газ (92-97% метана, CH₄), а также светильный газ (20-35% CH₄, 5-25% CО); нефтяной (50-60% CH₄); коксовый (20-25% CH₄, 4-10% CО); сжиженные газы (пропан-C₃H₈; бутан-C₄H₁₀; пропано-бутановая смесь), часто применяют газы, получаемые при газификации синтина, осветительного керосина, бензола, пиробензола, веретенного и трансформаторного масла и др.

Метан является более активным карбюризатором (по сравнению с СО) при повышенных температурах (до 1000⁰С). При использовании таких карбюризаторов как природный газ, бутан, пропан, газы при разложении керосина, масел выделяется сажистый углерод (сажа), что приводит к существенному ухудшению состояния оборудования и замедлению процесса цементации. Для предотвращения выделения сажи в печи для цементации (особенно непрерывно действующие) дополнительно вводится аммиак (2,5-5%). Для прямоточных безмуфельных цементационных печей рекомендуется следующий состав атмосферы: 80-90% эндогаза, 5-8% природного газа, 2-3% аммиака. Таким образом, для газовой цементации в печь подается природный газ (основа которого метан) и аммиак, а из специальных генераторов для приготовления контролируемой атмосферы подается в герметичное рабочее пространство печи газ-разбавитель (эндогаз, в состав которого входит»20% СО и менее 1% CH₄). Для газовой цементации используют продукты распада метана содержащие атомарный углерод (CH₄®2H₂ +C) или окись углерода (2CО®СО₂ +C). Среда может содержать некоторое количество Н₂О.

Между металлом поверхности детали и газовыми смесями проходят реакции, определяющие последующую диффузию углерода в металл:

C(Fe_g)+ СО₂«2 СО; C(Fe_g)+ Н₂«2 СН₄;

C(Fe_g)+ Н₂О«СО+Н₂;

Процесс диффузионного насыщения g-железа (аустенита) поверхности будет осуществляться до достижения предельной концентрации углерода, соответствующей изотермическому разрезу диаграммы состояния для конкретного металла (по лини SE диаграммы Fe-Fe₃C). После достижения предельной концентрации углерода на поверхности детали образуется адсорбированный слой, создающий градиент концентрации по сечению детали, следствием чего является диффузия углерода в приповерхностный слой (т.е. в глубь детали). В течение определенного времени образуется предельное насыщение металла приповерхностного слоя (определенной толщины) углеродом. Дальнейшее увеличение концентрации углерода в этом слое невозможно (определяется диаграммой состояния). Но из насыщающей атмосферы и с поверхности продолжается поступление атомов углерода в металл, что создает условия для образования в металле науглероженного слоя новой фазы – цементита с концентрацией углерода до 6.72%.

Процесс цементации регулируется заранее заданными параметрами (температура, время, состав насыщающей среды, химический состав обрабатываемого металла и др.).

Цементация в жидком и газообразном карбюризаторе более производительна и технологична, т.к. после цементации изделия из этой же печи возможно подвергать закалке. После цементации по таким схемам возможны варианты термической обработки изделий (рис.), которые определяют конечный комплекс свойств изделий при эксплуатации. Финишная термическая обработка деталей после цементации должна обеспечить оптимальную структуру поверхностного (науглероженного) слоя и сердцевины, высокую твердость и износостойкость металла поверхности при минимальной деформации изделия.

Металл цементованного слоя должен иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита при допустимых объемах Аост. Наличие в структуре поверхностного слоя избыточных карбидов в виде сетки, игл или крупных глобулей, участков Аост, который может присутствовать в виде обособленных участков, а также продуктов перлитного или бейнитного превращения недопустимо.

После цементации детали из углеродистых и низколегированных сталей могут подвергать двойной закалке (или нормализации и закалке) и низкому отпуску (рис. граф.1), обеспечивающей требуемую микроструктуру металла детали и уровень механических свойств. Но из-за повышенной деформации деталей, обезуглероживания поверхностного слоя этот режим усложняет ХТО изделий типа шестерен.

В связи с тем, что температура цементации значительно может превышать температуру критической точки А_С3, производить непосредственно после цементации закалку нецелесообразно из-за большого температурного перепада по сечению детали (влияет на деформацию и коробление, возникновение трещин).

Поэтому после окончания цементации детали из низколегированных сталей (типа 15Х; 20ХН; 15ХНТА; 18ХГТ; 30ХГТ и др.), устойчивых к росту зерна аустенита при нагреве до температур примерно 930-950 ⁰С, могут подстуживать перед закалкой до температур выше А_r3 и после этого только закаливать (рис. графики 6 и 11).

Оптимальной температурой подстуживания после цементации является: для стали 20ХН-825⁰С; 18ХГТ-850⁰С; 30ХГТ – 800⁰С; 15ХНТА – 770-800⁰С. Снижение температуры подстуживания (относительно оптимальной) может вызывать образование феррита в сердцевине детали, а более высокие температуры приводят к повышенному количеству А_ост в цементованном слое (рис.) и снижению его твердости.

Рис. Влияние температуры закалки (а, б) после цементации и концентрации углерода (б) в цементованном слое на количество остаточного аустенита (а,б) и твердость (а) стали 20ХМ3А (б) и сталей 18Х2Н4ВА (а-1); 20Х2Н4А (а-2) и 20ХН3А (а-3) (К.Н. Соколов)

Рис. Кривые распределения Аост по глубине цементованного слоя в стали 12Х2Н4А (О.П. Максимова и др.)

Цементация широко используется в машиностроении для получения повышенной прочности, твердости, износостойкости металла таких изделий как шестерни, зубчатые колеса, валки и т.д. Эксплуатационная стойкость таких деталей существенно зависит от уровня и знака остаточных напряжений (после ХТО) в металле. После цементации и закалки в связи с получением в поверхностном слое высокоуглеродистого мартенсита (имеющего больший объем по сравнению с другими структурами) возникают напряжения сжатия (могут достигать»500Мпа), а в металле сердцевины растягивающие. При этой обработке предел выносливости изделий существенно повышается

Большой объем Аост в цементованном слое приводит к снижению твердости металла поверхностного слоя детали, уменьшает сопротивление износу и ударной выносливости, увеличивает вероятность образования питтингов на поверхности детали, снижает предел прочности металла при изгибе и предел выносливости (усталости) цементованного слоя. Цементация поверхности деталей, работающих в условиях износа, высоких контактных нагрузок, изгиба приводит к повышению предела усталости металла из-за создания после закалки в поверхностном и прилегающем слое благаприяного соотношения сжимающих и растягивающих напряжений (рис.).

Принято считать, что сжимающие имеют знак минус («-»), а растягивающие знак плюс («+»). Принято считать, что напряжения, действующие на объект, условно разделены на нормальные (составляющая, вектор которой направлен перпендикулярно плоскости элементарной площадке) и касательные (вектор лежит в плоскости площадки).

Рис. Эпюра распределения остаточных напряжений в металле детали после цементации и последующей закалки (И.Е. Конторович)

Образование при закалке в цементованном слое повышенного количества Аост существенно снижает эффект упрочнения деталей. Это происходит по причине различных удельных объемов Аост и мартенсита (рис.). В объемах металла с повышенным содержанием Аост происходит значительное уменьшение уровня сжимающих напряжений (на графиках имеют знак «-»). Наиболее благоприятное соотношение сжимающих и растягивающих напряжений в поверхностном и приповерхностном слое деталей наблюдается в цементованных слоях небольшой глубины (достигается максимальный уровень сжимающих напряжений – см. рис.,).

Рис. Соотношение удельных объемов (б) различных зон цементованного слоя в зависимости от микроструктуры (а) и схемы эпюры напряжений (в),

действующих в поперечном сечении детали (Ю.М. Лахтин)

В таких случаях усталостное разрушение зарождается в подслое (под цементованным слоем), где возникает достаточно высокий уровень растягивающих напряжений.

Для деталей сложной геометрической формы с большими перепадами по сечению (например, зубчатые колеса и др. детали из сталей 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР) рекомендуется после цементации проводить ступенчатую закалку (рис., граф. 5,6) от температур подстуживания 790-810⁰С в горячих средах (нагретое масло, селитра, соляные расплавы и т.д.) с температурой 160-180⁰С (выше температуры точки Мн) с выдержкой 5-10мин и дальнейшим охлаждением на воздухе или в холодном масле. В случае, когда для деталей после цементации необходимо проводить еще механическую обработку, целесообразно после цементации сделать подстуживание и изотермическую выдержку при 600-650⁰С (фактически изотермический отжиг –рис., граф. 4). Возможно также в таких случаях проведение обработки по режиму, представленному на граф. 7, рис., предусматривающем после охлаждения деталей с температуры цементации на воздухе (нормализация) проведение дополнительного высокого отпуска 650-670⁰С в течение 6-10 часов до твердости цементованного слоя 22-28 HRС. Для сталей типа 18Х2Н4ВА, у которых сохраняется высокая твердость (до 40-45 HRС) после отпуска при таких температурах применяется двухкратный высокий отпуск или обработка холодом после закалки и высокий отпуск. При этом переохлаждение до минусовых температур необходимо производить сразу после закалки для предупреждения стабилизации аустенита.В том случае, когда при закалке металл охлаждался до температур ³100⁰С, обработка холодом нецелесообразна и необходимо применять двухкратный отпуск для более полного распада Аост.

В связи с тем, что на многих машиностроительных заводах создаются автоматизированные высокопроизводительные линии в составе агрегатов для цементации (нитроцементации или др.процессов ХТО), закалочных и отпускных печей, для эффективной и стабильной их работы необходимо создать условия, при которых большая часть параметров процесса ХТО являлася бы неизменными, а регулирование осуществлялось бы за счет 1-2 изменяемых параметров. Такими параметрами, определяющими эффективность процесса ХТО, являются:

-активность насыщающей среды;

-диффузия насыщающего элемента в металле обрабатываемой детали.

Условием стабильности процесса ХТО является равенство массы, выделяющейся в насыщающей среде и диффундирующей внутрь металла.

Для автоматического регулирования постоянства насыщающей активности карбюризатора используется углеродный потенциал, который может определяться графическим путем (рис.) по диаграмме равновесия сложной атмосферы CO - H₂ - H₂O – C, либо по точке росы или другой характеристике насыщающей атмосферы.

Углеродным потенциалом (рис.) называют предельную концентрацию углерода в железном образце, которая находится в термодинамическом равновесии с науглероживающей атмосферой (средой). Углеродный потенциал характеризует активность углерода в этом процессе. На рис. приведен график изменения концентрации углерода в тонких образцах хромомарганцевой стали при науглероживании (цементации) в различных твердых карбюризаторах (1—5) при температуре процесса 950⁰С. Кривая 5 при этом соответствует равновесному состоянию и определяет понятие «углеродный потенциал».

Рис. Диаграмма равновесия насыщающей среды CO-H₂-H₂O-C

[Шмыков А.А.]

Рис. Изменение содержания углерода в металле тонких образцов из хромомарганцевой стали при цементации в различных твердых карбюризаторах [Кербель Н.К.].

Для качественной характеристики активности насыщающей среды «углеродный потенциал» часто используют такие параметры, как состав насыщающей атмосферы и содержание паров воды в ней. При этом содержание паров воды определяют по точке росы, т.е. по температуре, при которой конденсируется влага, содержащаяся в насыщающей атмосфере. Точку росы можно определить различными способами. Самый простой метод реализуется путем помещения в активную среду металлического зеркальца и визуального наблюдения за ним при охлаждении такой системы. В момент появления на зеркале конденсата фиксируют температуру системы, которая и будет являться точкой росы.

Возможность определения активности науглероживающей атмосферы по точке росы обоснована следующим логическим рассуждением.

Стабильный процесс цементации возможен в случае реализации равновесной реакции: CO+H₂O =CО₂+ H₂.

Константа равновесия в этой реакции К=P_COP_H2O\ P_CO2P_H2, где P- парциальное давление. Тогда Р_Н2О=(КP_CO2P_H2)\ P_CO. Из этого рассуждения следует, что при известной константе равновесия состояние системы определяется влажностью насыщающей атмосферы (P_H2O), для чего необходимо определить точку росы.

Таким образом, науглероживающая способность атмосферы однозначно связана с влажностью этой атмосферы и определяется по точке росы. При повышении температуры цементации увеличивается скорость диффузии, но при этом при постоянном значении влажности насыщающей атмосферы углеродный потенциал уменьшается (табл.). Исходя из того, что углеродный потенциал определяет скорость процесса цементации, целесообразно снижать влажность науглероживающей атмосферы (снижать температуру точки росы ниже минус 15⁰С - см.табл.) и тем самым увеличивать значение углеродного потенциала. Увеличение температуры цементации свыше 900-950⁰С нецелесообразно еще и по причине резкого увеличения размеров аустенитного зерна, что снижает свойства готового изделия.

Для предотвращения этого явления используют для цементации стали с наследственно мелкозернистой структурой (медленный рост аустенитного зерна до ̴ 1050⁰С)- например, сталь 18ХГТ сохраняет мелкозернистую структуру (8 балл зерна) до ̴ 1000-1050⁰С. Установлено, что легирующие элементы, находящиеся в цементируемой стали, влияют на активность углерода при ХТО (рис.).

При концентрации углерода 0,7% в металле поверхностного слоя цементуемой детали карбидообразующие элементы (в зависимости от их концентрации) повышают точку росы от 7⁰С до 12⁰С в следующей последовательности: Сr, W,V и т.д. Наличие в стали таких легирующих элементов как Al, Ni, Si приводит к снижению точки росы от 7⁰С до 0⁰С (рис.).

Рис. Влияние легирующих элементов на активность углерода в аустените при цементации (950^0С) [Шварцман Л.А. и др. ]	Рис. Влияние легирующих элементов на температуру точки росы [Шварцман Л.А. и др. ]

Ускорение процесса науглероживания возможно:

-при использовании высокотемпературной цементации, при которой за счет существенного увеличения коэффициента диффузии углерода в аустените сокращается время процесса (рис.);

- при использовании ионной цементации, когда процесс проводится в поле действия тока (деталь является катодом, а контейнер или специальные металлические элементы печи анодом). Давление науглероживающей атмосферы при этом процессе ниже по сравнению с традиционным способом цементации, а производительность повышается в 2-3 раза. Возможно ускорение процесса науглероживания при использовании жидкого карбюризатора и электролизного нагрева детали, когда вокруг детали возникает «тлеющий разряд».

В процессе цементации в поверхностном слое металла глубиной 0,8-1,6мм концентрация углерода повышается до уровня 0,8-1,0%. В связи с тем, что после процесса науглероживания металл может еще достаточно продолжительное время находиться при высоких температурах (в зависимости от выбранной схемы ХТО), из металла поверхностного слоя за счет диффузии углерод будет проникать в глубь металла детали (т.е. происходит перераспределение углерода из поверхностного слоя).

текст

Это приводит к уменьшению концентрации углерода в поверхностном слое и повышению его концентрации в переходном слое (между сердцевиной и поверхностью). Таким образом, перед закалкой в металле поверхностного и переходного слоя будет достаточно неоднородное состояние аустенита по углероду. В связи с изменением концентрации углерода в поверхностном слое меняется и кинетика превращения аустенита. На рис...приведены сравнительные диаграммы изотермического распада аустенита стали 18ХГТ до (рис., а) и после цементации (рис.,б). Анализ этих диаграмм наглядно показывает существенные изменения при изотермическом превращении цементованной стали, что проявляется прежде всего в повышении устойчивости аустенита к распаду и снижении температуры Мн с 365⁰С до 140⁰С. При закалке в масло (наиболее часто используется на практике) с окончанием процесса охлаждения при температурах ~20-40⁰С происходит образование структурного конгломерата по сечению обрабатываемой детали.

Рис. Диаграммы изотермического распада аустенита стали 18ХГТ до (а) и после цементации (б)

В связи с тем, что концентрация углерода изменяется по сечению детали (от поверхности к центру- рис.) соответственно изменяется и положение точек Мн и Мк для соответствующих слоев металла (см.рис.)

Рис. Изменение концентрации углерода в поверхностном слое детали из стали ст.20 при цементации (950^0С, 10 час) [Блантер М.Е.].

Рис. - Обобщенные диаграммы влияния содержания углерода:

а) на температуру начала (Мн) и конца мартенситного превращения (Мк);

б) на количества остаточного аустенита в закаленной стали.

В связи с увеличением концентрации углерода в поверхностном (науглероженном) слое цементуемой детали в структуре этого слоя после закалки с охлаждением обрабатываемого изделия до температур охлаждающей среды (выше нуля градусов) градиент концентрации сохраняется.

Для снижения количество остаточного аустенита в структуре закаленного цементованного слоя используется одно из технологических решений, которое наиболее приемлемо для конкретной ситуации – последующий отпуск в оптимальном температурном интервале или проведение после закалки обработки холодом.

Для примера рассмотрим процессы структурообразования в трех сталях, различного уровня легирования, часто используемые для изготовления цементуемых деталей (табл.1). В зависимости от уровня легирования цементуемой стали, температуры и времени изотермической выдержки при цементации, скорости охлаждения при закалке и температуры конца охлаждения в жидкой среде количество нераспавшегося аустенита (остаточного аустенита - Аост) в структуре цементованного закаленного слоя может существенно меняться (рис. 22). Образцы (цилиндрические и пластинчатые) цементировались в одинаковых условиях до достижения сквозной цементации и закаливались с температур 850⁰С.

Таблица 1

Марка стали	С	Mn	Cr	W	Mo	Ni	Ti	АС1 АR1	АС3\ АR3	Мн ^0С	Мк ^0С
12XH4A	0,09- 0,15	0,3- 0,6	1,25- 1,65	-	Сле-ды	3,25 3,65	-	745/	800/
18XHBA		0,37	1,55	0,82	0,06	4,25	-
18XГТ ГОСТ-4543-71	0,17- 0,23	0,8-1,10	1- 1,3	-	Сле-ды	≤0,3	0,03- 0,09	740\	825\	̴ 365

18XГТ - температура цементации 920-950⁰С (З_М -820-860⁰С, О-150-250⁰С) HRC поверхности после Ц 56-62, после З+О-56-62, сердцевины –НВ-240-300 (в литературе приводятся и другие параметры ХТО –Ц-900-920⁰С; З-780-800⁰С; О-180-200⁰С).

12XH4A-- температура цементации 920-950⁰С (З_М -780-800⁰С, О-180-200⁰С) HRC поверхности после З+О-58-62, сердцевины –НВ-255-302;

В конкретном случае исследовался металл цементованного слоя из сталей, приведенных в табл.2

Таблица 2- Химический состав сталей, исследуемых после цементации

Марка стали	Mn	Cr	W	Mo	Ni	Ti
12XH4A	0,36	1,4	-	следы	3,5	-
18XHBA	0,37	1,55	0,82	0,06	4,25	-
18XГТ	1,0	1,05	-	Следы	0,2	0,09

В зависимости от уровня легирования цементуемой стали, температуры и времени изотермической выдержки при цементации, скорости охлаждения при закалке и температуры конца охлаждения в жидкой среде количество нераспавшегося аустенита (остаточного аустенита - Аост) в структуре цементованного закаленного слоя может существенно меняться (рис. 22). Образцы (цилиндрические и пластинчатые) цементировались в одинаковых условиях до достижения сквозной цементации и закаливались с температур 850⁰С. Для стали 12Х2Н4А после закалки с 850⁰С количество Аост составляло примерно 33%, а после закалки с 790⁰С – около 25%. Такое большое количество Аост в структуре цементованного слоя не позоляет достигнуть в поверхностном слое деталей высоких уровней твердости, износостойкости и др. служебных характеристик, поэтому в промышленности используют несколько технологических схем, предусматривающих после закалки с охлаждением (до ̴+20⁰С) обработку холодом (возможно с последующим отпуском) либо одно- или многократный отпуск для перевода Аост в вторичную структуру с более высокими твердостью и прочностью. При рассмотрении влияния параметров отпуска на процесс распада Аост и изменение свойств цементованного слоя (распад матренсита, снижение уровня напряжений) следует отметить, что операция отпуска может производиться при непрерывном нагреве до определенных температур, либо в условиях изотермических выдержек при заданных температурах.

Кривые: 1 – сталь 18XHBA; 2 - 12XH4A; 3 – У8; 4 - 18XГТ

Рис. Количество остаточного аустенита в цементованных (12ч) сталях после

закалки и его превращение при обработке холодом [ ].

Рис.22 из кн. Структура и свойства термически обработанной стали

Дата добавления: 2014-10-23