Химико-термическая обработка

Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова

Кафедра материаловедения.

РЕФЕРАТ

Химико-термическая обработка:

Цементация, азотирование, цианирование.

Выполнил:

Студент гр. МС-12-98

Карпов С. Н.

Проверил

Преподаватель

Алексеева Н. А.

Чебоксары, 1999 год.

Химико-термическая обработка стали.

ЦЕМЕНТАЦИЯ.

Цементация - наиболее распространенный в машиностроении способ химико-термической обработки стальных деталей - применяется для получения высокой поверхностной твердости, износостойкостью и усталостной прочности деталей. Эти свойства достигаютсяобогащением поверхностного слоя низкоуглеродистой и нелегированной стали углеродом до концентрации эвтектоидной или заэвтектоидной и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою структуру мартенсита с тем или иным остаточным количеством остаточного аустенита и карбидов.

Глубина цементированного слоя обычно находится в пределах 0,5 - 2,0 мм (иногда для мелких деталей в пределах 0,1 - 0,3 мм, а для крупных - более 2,0 мм). Цементацию стальных деталей осуществляют в твердых, газовых и жидких карбюризаторах. За последние годы все большее развитие получает газовая цементация.

Диффузия углерода в сталь.

По количественной характеристике диффузии углерода в железо накоплены многочисленные данные.

Коэффициент диффузии углерода в a -железо более чем на порядок выше, чем в g -железо, имеющее значительно более плотно упакованную решетку.

Диффузия углерода в феррите обуславливает возможность протекание таких низкотемпературных процессов, как коагуляция и сфероидизация карбидов в отожженной стали, карбидообразование при отпуске закаленной стали, графитизация и т. д. Однако, цементация при температурах существования a-железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой фазе углерода. Цементация проводится при температурах 920-950 ^o С и выше, при которых сталь находится в аустенитном состоянии.

Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в аустените выражается уравнением:

D_c =(0,07 + 0,06C%)e ^-32000/RT

Или по другим данным:

D_c =(0,04 + 0,08C%)e ^-31350/RT .

Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Это, очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки аустенита и термодинамической активностью углерода.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на диффузию углерода в аустените, что связано с искажением кристаллической решетки, изменением энергии межатомной связи в твердом растворе и термодинамической активности углерода.

Результаты изучения влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените при 1100^о С приведены на рисунке 1. При других температурах влияние некоторых элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените изменяется. карбидообразующие элементы обычно замедляют, а некарбидообразующие ускоряют диффузию углерода. Однако, следует заметить, что это обобщение требует существенного уточнения. Так, например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените при низких температурах (ниже 950^о С), что согласуется с представлением о кремнии как о некарбидообразующем элементе, искажающем кристаллическую решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию.

Сталь для цементации.

Цементированные детали после соответствующей термической обработки должны иметь твердый, прочный поверхностный слой, стойкий против износа и продавливания, и достаточно прочную и вязкую сердцевину. В связи с последним требованием для цементации применяют низкоуглеродистую сталь, содержащую 0,08 - 0,25 %С.

В последние годы для высоконагруженных зубчатых колес и других ответственных, в том числе крупных, деталей начали использовать цементуемую сталь с более высоким (0,25 - 0,35%) содержанием углерода. Поэтому оказалось возможным уменьшить глубину цементованного слоя, не опасаясь его продавливания при больших нагрузках, предотвратить преждевременное разрушение поверхностного слоя из-за пластической деформации слоев металла, лежащих непосредственно под этим слоем, а также закаливать сердцевину с более низкой температуры без перегрева цементованного слоя.

Положительное влияние повышения содержания углерода в цементованной стали отмечалось и в ряде последующих работ. Показано, что увеличение содержания в некоторых сталях углерода повышает предел их выносливости лишь в случае одновременного некоторого снижения глубины цементованного слоя.

Для цементации широко используют низкоуглеродистую качественную сталь (08, 10, 15 и 20) и автоматную сталь (А12, А15, А15Г, А20), а для неответственных деталей низкоуглеродистую сталь обыкновенного или повышенного качества (Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, М12, М16, Б09, Б16 и др.). ответственные изделия изготавливают из легированной стали.

Основное назначение легирующих элементов в цементуемой стали - повышение ее прокаливаемости и механических свойств сердцевины. Большинства легирующих элементов понижает склонность зерна стали к росту при нагреве, а некоторые из них улучшают механические свойства цементованного слоя.

Цементация в разных средах.

¨ Цементация в твердом карбюризаторе.

¨ Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты (далее т. в. ч.).

¨ Цементация в пастах.

¨ Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.

¨ Газовая цементация.

¨ Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.

¨ Цементация с нагревом т. в. ч.

¨ Ионная цементация.

¨ Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.

¨ Цементация в жидкой среде.

¨ Цементация в расплавленном чугуне.

Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она используется довольно часто.

Газовая цементация.

Возможность цементации стали в газовой среде была показана еще в работе П. П. Аносова, выполненной в 1837 году. Однако только почти через сто лет (в 1935 г.) этот процесс начали впервые внедрять в производство в высокопроизводительных муфельных печах непрерывного действия на автозаводе им. Лихачева. При этом в качестве газового карбюризатора была использована среда, получаемая при пиролизе и крекинге керосина.

Для газовой цементации пока еще часто применяют шахтные муфельные печи и печи непрерывного действия с длинными горизонтальными муфелями из окалиностойкого сплава. Изредка применяют также печи с вращающимися ретортами. В последние годы начали получать все большее распространение безмуфельные печи непрерывного действия, нагреваемые излучающими трубками из стали Х23Н18 или Х18Н25С2.

Детали загружают в печи в поддонах (в корзинах) или в различных приспособлениях, на которых они располагаются на расстоянии 5 - 10 мм между цементуемыми поверхностями; мелкие детали загружают навалом на этажерки, помещаемые в корзины.

Для газовой цементации используют различные карбюризаторы - газы: природный (92 - 97% СН₄ ); природный разбавленный для городских нужд (60 - 90% СН₄ ); светильный (20 - 35% СН₄ , 5 - 25% СО): нефтяной (50 - 60% СН₄ ): коксовый (20 - 25% СН₄ , 4 - 10% СО); сжиженные: пропан, бутан, пропано-бутановая смесь.

Сложные углеводороды, которые входят в состав карбюризаторов или образуются при из разложении в результате ряда промежуточных реакций, распадаются в основном до метана. При крекинге углеводородов, который производится для снижения их активности или получения эндогаза, образуется также СО. Таким образом, химизм выделения атомарного углерода при газовой цементации сводится к распаду метана и окиси углерода.

СН₄ = С + 2Н₂ .

2СО = СО₂ + С.

Метан является более активным карбюризатором чем окись. Для науглероживания железа при 900-1000 ⁰ С в смеси СН₄ ;-Н₂ достаточно наличия всего лишь нескольких процентов метана, тогда как для цементации в смеси СО-СО₂ необходима концентрация около 95-97% СО.

Свойства цементованной стали.

Оптимальное содержание углерода в поверхностной зоне цементованного слоя большинства сталей 0,8-0,9%C, при таком его количестве сталь обладает высокой износостойкостью. Дальнейшее увеличение содержание углерода уменьшает пределы выносливости и прочности стали при статических и динамических испытаниях. Однако наиболее износостоек цементованный слой при несколько повышенном содержании в нем углерода (по некоторым данным до 1,2% С). при этом после термической обработки цементованный слой должен иметь структуру мелкоигольчатого или скрытокристаллического мартенсита с мелкими глобулями карбидов и небольшим количеством остаточного аустенита.

Цементация повышает предел выносливости стали. Объясняется это, возникновением в слое остаточных сжимающих напряжений в связи с неодинаковым изменением объема слоя и сердцевины стали в процессе цементации и закалки. Наибольшее повышение предела выносливости достигается при цементации на сравнительно небольшую глубину, когда цементованный слой приобретает после закалки мартенситную структуру с минимальным количеством остаточного аустенита, в результате чего в слое возникают максимальные сжимающие напряжения.

Азотирование.

Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс поверхностного насыщения стали азотом.

Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном легированные стали определенных составов и процесс имеет большую продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.

Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном давлении и температуре до 1500 ⁰ С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.

Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:

2 NH₃ = 2N + 6H

2N N₂

6H 3H₂ .

Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности.

Стали для азотирования.

Все шире применяется азотирование аустенитных и нержавеющих теплостойких сталей.

Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то же время обладает рядом ценных свойств: парамагнитностью, высокой жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой ударной вязкостью при температуре ниже 0 ⁰ С.

Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости аустенитных нержавеющих сталей.

В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей, содержащих титан. Эти стали азотируются быстрее, чем хромомолибденоаллюминиевая, и отличаются более высокой поверхностной твердостью и красностойкостью.

Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455 ⁰ С в течение 20 ч приводит к превращению в поверхностном слое феррита в аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.

Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент из быстрорежущих сталей Р9 и Р18.

Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого чугуна (в частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных чугунов, легированных алюминием).

Свойства азотированной легированной стали.

Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и нитроцементованных сталей.

Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.

Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.

Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до 500-520 ⁰ С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 ⁰ С) имеет аустенитная сталь. Однако при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.

В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали (в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего в состав образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых составов, например с малым содержанием никеля, это может сопровождаться даже выпадением в азотированном слое a-фазы, в результате чего поверхностный слой становится слегка магнитным.

Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей воды и водяного пара.

Цианирование.

Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом:

№1 NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na₂ CO₃ 25-50%, температура цианирования 840-870 ⁰ С, продолжительность процесса - 1ч.

№2 цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl₂ 55%.

Реакции идущие в ванне №1:

2NaCN + O₂ = 2NaCNO

2NaCNO + o2 = Na₂ CO₃ + 2N + CO.

реакции идущие в ванне №2:

Ca(CN)2 = CaCN2 + C

CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N

2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.

После цианирования непосредственно из ванны производится закалка.

Структура нитроцементованного и цианированного слоя.

При цианировании при 850-900 ⁰ С в цианистых ваннах, содержащих цианплав, и при глубоком цианировании при 900-950 ⁰ С в низкопроцентных ваннах с цианистым натрием и хлористым барием сталь с поверхности насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при цементации, и лишь немного азотом. При цианировании в ванне №1 сталь насыщается углеродом несколько меньше, чем при цементации, а азотом в поверхностной зоне слоя больше, чем в других ваннах.

Низкотемпературная нитроцементация и цианирование.

Низкотемпературной нитроцементации и цианированию при 560-700 ⁰ С подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при 560-580 ⁰ С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры существования g-фазы в системе Fe - N. Поэтому в процессе обработки при такой температуре на стали образуется, по существу, азотированный слой, а углерод проникает на глубину лишь нескольких микрон, где может образовываться тонкая карбонитридная зона.

Свойства нитроцементованной и цианированной стали.

Нитроцементованная и цианированная конструкционная сталь благодаря присутствию азота более износостойка, чем цементованная.

Нитроцементация и цианирование существенно повышают предел выносливости, причем нитроцементация в большей степени, чем цианирование, а в ряде случаев в большей степени, чем цементация.

При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода в слое. Поэтому в цианированном слое количество остаточного аустенита всегда больше, чем в нитроцементованном.

В связи с этим сжимающие напряжения создаются в цианированном слое лишь на некотором расстоянии от поверхности, что приводит к снижению предела выносливости стали. Этим и объясняется меньшая долговечность цианированных деталей по сравнению с нитроцементованными.

При цианировании необходимо производить наклеп деталей дробью, создающий на поверхности (вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит) высокие напряжения сжатия. Усталостные испытания зубьев цианированных зубчатых колес на изгиб с циклической нагрузкой показали, что наклеп дробью повышает предел выносливости с 43 до 72 кГ/мм² .

Испытания на стенде показали, что после наклепа дробью стойкость (до разрушения) цианированных зубчатых колес увеличилась с 9 до 140 ч.

Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая на поверхности тонкий нетравящийся карбонитридный слой (что бывает не всегда), корродирует медленнее нецианированной стали. Например, в 3%-ном растворе поваренной соли стойкость такой стали против коррозии в 2 раза выше, чем нецианированной. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей после нитроцементации и цианирования снижается.

Использованная литература:

А. Н. Минкевич.

"Химико-термическая обработка металлов и сплавов"

Издательство "Машиностроение"

Москва, 1965 г.