И при последующем переохлаждении ниже нуля градусов

Распад аустенита цементованного слоя в процессе закалки

В ряде исследовательских работ (например, Миркина И.Л. и др.) на цементованной стали 18ХНВА с пониженной температурой Мк), выполненных еще в 50-е годы прошлого столетия, было установлено, что при резком переохлаждении при закалке до +20⁰ происходит частичный распад g®a (рис.24, начало кривой 1), а при последующем переохлаждении этого металла до температур ~140⁰С протекает процесс дальнейшего распада аустенита до определенного уровня (примерно до 70% g®a превращения -рис.24, кривая 1).

Кривые: 1 –охлаждение от +20^0С до -194^0С; 2 -отогрев от -194^0С до +20^0С; 3 - отогрев от -140^0С до -60^0С в увеличенном масштабе; Рис. Превращение Аост в цементованном слое закаленной стали 18ХНВА в температурном интервале от -140^0С до -60^0С при отогреве после быстрого переохлаждения в жидком азоте [ ].

При последующем нагреве аустенита (т.е. при повышении температуры от минус 140⁰С до +20⁰С будет происходить дальнейший распад аустенита на мартенсит (рис.24. кривая 2,3). Это особенно наглядно прослеживается при закалке легированных сталей, у которых температура точки Мк находится существенно ниже нуля градусов.

Из приведенных данных наглядно видно, что в зависимости от имеющегося у термиста оборудования возможно реализовать на практике наиболее рациональный процесс ХТО, обеспечивающий требуемый комплекс служебных характеристик для обрабатываемых деталей.

Основные структурные дефекты цементованного слоя: анормальность структуры (наличие структурно свободного цементита и феррита в виде сетки, окружающей сетку цементита, либо в виде отдельных включений); сетка цементита; участки с темной составляющей; остаточный аустенит.

Анормальность структуры устраняется повышением скорости охлаждения при закалке, нагревом под цементацию или закалку до более высоких температур, увеличением времени нагрева под закалку, введением в слой азота или подбором состава стали. Для сталей с концентрацией марганца свыше 0,6% или хрома с 0,2-0,4% анормальной структуры не наблюдают.

На практике хорошие результаты дает цементация высокоуглеродистых сталей типа У7; У10;ШХ15; Х; ХГ; 4Х8В2, используемых для изготовления инструмента, работающего в тяжелых условиях нагрева, износа, смятия.

Цементации могут также подвергаться изделия из высоколегированных сталей типа Х13; Х17Н2; Х18Н9 и др.

Следует отметить, что цементация используется для повышения твердости, прочности, износостойкости и и сопротивления газовой коррозии при высоких температурах и для деталей из цветных металлов (W,Mo, Nb, Ta, Ti и др.).

В промышленности широкое распространение получили процессы ХТО, основанные на диффузионном насыщении металла поверхностных слоев изделий азотом (азотирование), углеродом и азотом (карбонитрирование); кислородом и азотом (оксиазотирование); кислородом, углеродом и азотом (оксикарбонитрирование) и серой и азотом (сульфонитрирование).

Азотирование - режим ХТО, в процессе которого поверхностные слои металла диффузионно насыщаются азотом на глубину 0,3-0,6мм. Такой режим ХТО применяется для упрочнения поверхностных слоев металлоизделий из конструкционных, инструментальных, жаропрочных и коррозионностойких сталей, сплавов и спеченных порошковых материалов. Твердость азатированного слоя металлоизделий выше, а разупрочнение при нагреве до 450-500⁰С сравнительно меньшее по сравнению с цементованным слоем.

В зависимости от температурного интервала, при котором реализуется азотирование, в промышленности подразделяют процессы на:

- низкотемпературное (при 500 - 600⁰С) азотирование для деталей из сталей и чугуна;

-среднетемпературное (при 600 - 750⁰С) азотирование для деталей в качестве антикоррозионного (продолжительность процесса может быть от 15 мин до 10 час);

-высокотемпературное (750-1200⁰С) азотирование для специальных сталей и сплавов, тугоплавких металлов (Cr; Mo; Nb; Ti и др.).

В результате азотирования металл поверхностного слоя обладает высокими твердостью, износо-, задиро- и теплостойкостью, сопротивлением усталости и коррозии. При реализации низко- и среднетемпературного азотирования деформация обрабатываемых изделий существенно ниже, чем, например, после цементации и закалки. Кроме этого температурный интервал низкотемпературного азотирования позволяет совместить в едином режиме азотирование и отпуск предварительно закаленного изделия.

В промышленности стран СНГ широко используется азотирование в газовых средах.

Газовое азотирование проводится в герметичных муфелях (контейнерах) при температурах 500-580⁰С в течение 20 – 90 часов (из-за низкой диффузионной подвижности) в среде аммиака, который поставляет активный атомарный азот:

2NH₃®2N+6H

Степень диссоциации аммиака зависит от температуры процесса. Известно, что при 500-520⁰С степень диссоциации равна 20-40%; при 540-560⁰С -40-60%; при 600-650⁰С- 50-60%. Увеличение степени диссоциации аммиака при азотировании конструкционных сталей до 60-65% на твердость и толщину слоя отрицательно не влияет, но уменьшает толщину и хрупкость слоя с e –фазой.

Для ускорения процесса азотирования могут применять двухступенчатый процесс: вначале при температурах 500-520⁰С, а затем при 540-600⁰С. Охлаждение после азотирования производится с печью в потоке аммиака.

Последовательность образования фаз в металле при диффузионном насыщении азотом соответствует последовательности их расположения на диаграмме состояния. Например, при температуре азотирования 550⁰С сначала образуется азотистый феррит (a -фаза), затем g -фаза (азотистый аустенит), g¹ -фаза (Fe₄N –промежуточная фаза переменного состова с г.ц.к. решеткой) и в самом внешнем слое металла - e -фаза (промежуточная фаза с г.п. решеткой и широкой областью гомогенности). На рис. 3 приведена микрофотография армко-железа (С=0,02%) подвергнутого азотированию при 650⁰С (7 час.) в аммиаке со степенью диссоциации 50%.

Рис.3 - Поверхностный слой образца из армко-железа после азотирования при 650^0С в течение 7 часов (поверхностный – нитридный слой, под ним слой азотистого аустенита, переходящего в мартенситный слой), х320 [В.Г.Пермяков]

Известно, что нитридный слой более твердый и хрупкий, чем слой с твердым раствором азота в железе. Нитридный слой содержит g¹ - и e –фазы (g¹ - фаза это нитридFe₄N с гранецентрированной кубической решеткой, а e –фаза это нитрид Fe_2-3N с гексагональной решеткой). Слой, состоящий из e –фазы более твердый и хрупкий по сравнению с слоем из g¹ - фазы.

Азотирование применяют для повышения твердости, износостойкости (твердость насыщенного слоя металла азотом выше, чем у цементованой или закаленной, при этом еще возникают дополнительные напряжения сжатия в металее ≈600-800Мпа). А тонкий слой e -фазы хорошо защищает изделий от коррозии во влажной среде и других средах.

Азотированию подвергают легированные стали, в которых азот взаимодействуя с хромом, молебденом, алюминием и др. элементами образует дисперсные нитриды, благодаря чему азотированный слой приобретает твердость значительно большую (HV= ~850-1300), чем при цементации. Перед азотированием изделия из сталей типа 38Х2МЮА подвергают закалке и высокому отпуску для повышения прочности и вязкости сердцевины.

В последние десятилетия получило развитие азотирование деталей, изготовленных из сталей без алюминия, которые более технологичны, часто обладают более высоким уровнем механических свойств и азотированный слой у них не является хрупким. Но твердость слоя у таких сталей более низкая (HV= ~690-950) по сравнению с сталями типа 38Х2МЮА. Азотирование также применяют для повышения эксплуатационных свойств деталей из сталей аустенитного, ферритного, мартенситного классов, мартенситно-стареющих сталей, инструментальных – быстрорежущих и штамповых сталей.

К основному недостатку азотирования следует отнести большую длительность (себестоимость) процесса.

Дата добавления: 2014-10-23