книги / Основы металловедения и термообработки

Различают цементацию в твердом карбюризаторе и в га­ зовой среде. В качестве твердого карбюризатора используют древесный уголь с активаторами (ВаС03 или Na2C 03). Ящики с деталями, помещенными в карбюризатор, замазывают огне­ упорной глиной и нагревают в печи до температуры цемента­ ции, при которой идут реакции

2С + 0 2 -» 2СО ВаС03 + С —> ВаО + 2СО

2СО -► С 02 + С

Образующиеся активные атомы углерода диффундируют

вкристаллическую решетку аустенита стали, насыщая ее. В те­ чение 8 -1 0 ч образуется диффузионный слой толщиной « 1 мм.

Газовая цементация является основным процессом ХТО

вмассовом производстве. Цементация деталей проводится на­ гревом в атмосфере, содержащей СО, СН4 и др., насыщение по­ верхностного слоя углеродом идет более интенсивно, чем в твер­ дом карбюризаторе, и слой толщиной 1 мм образуется за 6-7 ч.

Существует три варианта термообработки деталей после цементации (рис. 79). Закалка непосредственно с цементацион­ ного нагрева проводится для менее важных деталей. Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной выдержки при высокой температуре цементации, дает грубокристалличе­ ский мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозерни­ стую феррито-перлитную структуру в сердцевине детали. Этот недостаток в значительной мере устраняется при использовании наследственно мелкозернистой стали (добавки 0,1-0,15 % Ti, V)

ипри снижении температуры и продолжительности цементаци­ онной выдержки. Так, в автомобильной промышленности широ­ ко применяется термообработка детали из стали 18ХГТ с закал­ кой с нитроцементационного нагрева (в цементационную атмо­ сферу вводят » 5 % аммиака, что позволяет снизить температуру процесса до 850 °С). Подстуживание до 750-800 °С при закалке

сцементационного нагрева снижает внутренние напряжения,

а обработка холодом уменьшает количество остаточного аусте­ нита в цементованном слое.

Рис. 79. Режимы термической обработки стали после цементации

Если после цементации детали охлаждаются на воздухе, то при последующем нагреве под закалку с температуры выше Асг происходит перекристаллизация и измельчение зерна металла сердцевины, что значительно повышает его механические свойст­ ва. Однако для высокоуглеродистого металла поверхностного слоя эта температура дает перегрев (рост зерна), так как оптимальная температура нагрева под закалку эвтектоидных сталей выше Аси но ниже Ас3. Поэтому ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском. Повторная закал­ ка обеспечивает получение в поверхностном слое структуры мел­ коигольчатого мартенсита с глобулярными карбидами.

Азотированием называют процесс диффузионного насыще­ ния азотом поверхностного слоя деталей. Азотирование приме­ няют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, «червяки», валики, гильзы ци­ линдров и др.), а также для обеспечения коррозионной стойкости

вводе, паровоздушной и влажной атмосфере. После азотирова­ ния детали подвергают только тонкой шлифовке или полировке.

Азотирование проводят при температуре 500-600 °С в му­ фелях или контейнерах, через которые пропускают диссоции­ рующий аммиак. Длительность выдержки при азотировании достигает 60 ч (при двухступенчатом режиме - 40 ч), получае­ мая диффузионная зона - 0,5-0,7 мм.

Реакция диссоциации аммиака на стальной поверхности

NH3 ЗН + N

дает ион азота, который адсорбируется поверхностью и диф­ фундирует вглубь. Обычная диссоциация аммиака при нагреве дает молекулярный азот N2, который не может диффундировать в сталь без ионизации.

По мере насыщения стали азотом при температуре ниже 590 °С происходит, согласно диаграмме Fe - N, образование a-твердого раствора внедрения азота в железе, затем образова­ ние y-фазы с ГЦК решеткой и атомами азота в центре и, нако­ нец, образование на поверхности слоя e-фазы с ГПУ решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в широком ин­ тервале концентраций. Именно слой е-фазы обеспечивает кор­ розионную стойкость азотированной поверхности в воде и в атмосферных условиях.

В системе Fe - N s- и y-фазы имеют невысокую твердость, соответственно твердость по Виккерсу HV 4500 и 5500 МПа. Значительно большая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей - нитраллоев, содержащих ак­ тивные нитридообразующие элементы Сг, Mo, Al, Ti, V. При азотировании этих сталей упрочнение a -фазы происходит по механизму старения пересыщенных твердых растворов с образо­ ванием мелкодисперсных нитридов. Максимальное упрочнение (твердость) их достигается на стадии образования когерентных зародышей нитридной фазы в a -фазе. Так, азотирование стали 38Х2МЮА, содержащей хром (1,35-1,65 %), алюминий (0,7-1,1 %)

и молибден (0,15-0,25 %) дает твердость азотированного слоя HV 12000 МПа, обеспечивая высокую износостойкость поверхности деталей, изготовленных из этой стали. Роль легирующих элемен­ тов в формировании структуры и комплекса свойств сталей из­ ложена в специальной главе этого пособия. В частности, в стали 38Х2МЮА введение молибдена имеет целью устранение отпуск­ ной хрупкости, которая может возникнуть при медленном охлаж­ дении от температуры азотирования.

По сравнению с цементированными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износо­ стойкость. Однако из-за меньшей толщины азотированного слоя контактные нагрузки на поверхность детали ограничены.

Ионное азотирование (азотирование в плазме тлеющего разряда) проводят в стальном контейнере, который является анодом. Катодом служат азотируемые детали. Через контейнер при низком давлении пропускают аммиак или смесь азота с во­ дородом. Активация самой газовой среды и поверхности детали ускоряет процесс в 2-3 раза, что позволяет снизить температуру азотирования. Кроме того, гибкое регулирование параметров процесса (давление и состав газовой фазы, напряжение разряда) делает возможным активное влияние на качество азотированно­ го слоя. Катодное распыление (р = 1,2 мм Hg столба, U= 1000 В,

Т < 200 °С) очищает поверхность и активирует ее перед стадией насыщения при температуре 450-500 °С (р = до 10 мм Hg стол­ ба, U = 300-800 В, удельная мощность 0,7-1,0 Вт/см2), дости­ гаемой бомбардировкой поверхности ионами газа. При этом разрушается даже защитная оксидная пленка на поверхности трудноазотируемых сплавов. Ионное азотирование инструмента из быстрорежущей стали повышает его стойкость в 2-5 раз.

Ионная цементация ведется при высокой температуре на­ грева поверхности (900-1050 °С), что достигается либо увели­ чением удельной мощности, либо применением дополнительно­ го внешнего нагрева цементуемых деталей. Газовой средой яв­

ляются диссоциируемые углеводороды, разбавленные аргоном или азотом для предотвращения выделения сажи на поверхно­ сти деталей. При ионной цементации, как и при ионном азоти­ ровании, ускоряется диффузионное насыщение по сравнению с традиционными способами цементации и азотирования.

Цианирование, как и ранее упомянутая нитроцементация в газовой среде, является процессом одновременного насыще­ ния поверхности стали углеродом и азотом. Цианирование про­ водится при температуре 820-860 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий (20-25 % NaCN, 25-50 % NaCl и 25-50 % Na2C 03). При участии кислорода воздуха в цианистой ванне протекают реакции:

NaCN + 0 2-* 22NaCNO 2NaCNO + 0 2 -> Na2C 03 + СО + 2N

2СО -> С 02 + С.

Нейтральные соли NaCl и Na2C 03 добавляют для повыше­ ния температуры плавления ванны. Активные атомы азота и уг­ лерода адсорбируются поверхностью деталей и диффундируют вглубь, насыщая аустенит стали. Закалка деталей непосредст­ венно с температуры цианирования и отпуск при 180-200 °С дает поверхностную твердость HR.C 58-62. Цианированный слой содержит примерно 0,7 % С и 1 % N, его глубина составля­ ет около 0,3 мм после выдержки 1 ч. Износостойкость планиро­ ванного слоя более высокая, чем слоя цементованного.

Низкотемпературное цианирование (карбонитрация) про­ водится при 530-570 °С, когда происходит поверхностное на­ сыщение a -фазы стали преимущественно азотом. Так, напри­ мер, для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбонитрацию с выдержкой в ванне 5-30 мин.

Существенный недостаток цианирования - ядовитость

цианистых солей. Специальными мерами добиваются исключе­ ния ионов [CN“] в ванне. Такие низкотемпературные процессы известны как карбонитрация, тенифер, мелонайт.

Диффузионная металлизация, а именно процессы алитиро­ вания (алюминирования), хромирования и силицирования явля­ ются традиционными для получения жаростойких диффузион­

ных покрытий деталей, работающих в окислительной среде. Эти процессы ведутся в порошковых смесях, содержащих

диффундирующий элемент, активизатор (NEUCl) и нейтральный порошок (шамот, глинозем), предотвращающий спекание смеси. Составы порошковых смесей для алитирования, хромирования

и силицирования представлены в табл. 2 .

Насыщаемые детали пересыпают порошком в металличе­ ском контейнере-ящике. Закрытый плавким затвором ящик с деталями выдерживают в печи при температуре 1000-1200 °С несколько часов для получения диффузионных слоев заданной толщины.

В контейнере протекают реакции диссоциации NH4CI и об­ разования хлоридов, например А1С12 и А1СЬ, которые осаждаются на насыщаемую поверхность и выделяют на ней активные атомы

Циркуляционным методом можно проводить диффузион­ ное насыщение поверхности деталей не только Al, Cr, Si, но и другими элементами, как в отдельности, так и совместно, т.е. можно получить качественные диффузионные многокомпо­ нентные покрытия.

Алитирование проводят на глубину слоя от 0,2 до 1,0 мм. Концентрация А1 в поверхности составляет « 30 % (твердый раствор А1 в Fea) твердость низкая до HV 500, низкая и износо­ стойкость. Алитированию подвергают топливники газогенераторых машин, чехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высоких температу­ рах. Окалиностойкость алитированной стали - до 850-900 °С, высока коррозионная стойкость в атмосфере и морской воде.

Менее распространено жидкостное алитирование сталь­ ных деталей (в ванне с расплавленным алюминием с добавка­ ми 3-4 % Fe) в связи с налипанием алюминия на поверхность деталей.

Диффузионное хромирование сталей, содержащих свыше 0,3- 0,4 % С, повышает твердость и износостойкость, так как фор­ мирует слой карбидов (Cr,Fe)7C3 или (Cr,Fe)23C6 толщиной до 0,03 мм и твердостью HV 12 000-13 000 МПа. Для деталей, рабо­ тающих в агрессивных средах, хромированный слой должен со­ стоять из твердого раствора Сг в Fe„ толщиной 0,10-0,15 мм. Хромирование обеспечивает повышенную стойкость стали про­ тив газовой коррозии (окалиностойкость) до 800 °С и высокую коррозионную стойкость в воде, морской воде и в азотной кисло­ те. Его применяют для деталей паросилового оборудования, па­ роводяной арматуры, клапанов, вентилей, патрубков и деталей, работающих на износ в агрессивной среде.

Силицированный слой является твердым раствором Si в Fea, толщина его обычно от 0,3 до 1,0 мм. Несмотря на низкую твер­ дость (HV 2000-3000 МПа) и пористость, пропитка силициро-

ванного слоя маслом при 170-200 °С придает ему высокую изно­ состойкость. Складирование стальных деталей придает им и вы­ сокую коррозионную стойкость в морской воде, в азотной, сер­ ной и соляной кислотах. Силицированию подвергают детали оборудования химической, бумажной и нефтяной промышлен­ ности (валики насосов, трубопроводы, арматура, крепежные де­

тали и Т.Д.).

Из многокомпонентных диффузионных слоев наибольшую стойкость стали в 10 % водном растворе HN03 обеспечивают хромотитанированные и хромоалитированные. Хромосилицированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в40%-ной НР03. В морской воде наилучшую стойкость показы­ вают стальные детали после циркоалитирования и титаноапитирования.

Широко используется борирование стальных деталей и ин­ струмента в расплавах буры с добавками карбидов бора и крем­ ния (70 % Na2B20 7 + 30 % В4С или 30 % SiC) при температуре 850-1050 °С (с выдержкой 2-10 ч). При электролизном борировании (катод - борируемые детали) процесс диффузионного насы­ щения поверхностного слоя деталей идет быстрее, его проводят при 880-980 °С в течение 2-5 ч при плотности тока на катоде 0,08-0,25 А/см2. Толщина борированного слоя 0,1-0,2 мм; твер­ дость HV 18 000-20 000 МПа. Диффузионные боридные покры­ тия, состоящие из боридов FeB и Fe2B, обладают высокой изно­ состойкостью. Так, износостойкость борированной стали 45 вусловиях трения скольжения выше в 4-6 раз износостойкости цементированных и в 1,5-3 раза нитроцементированных сталей.

Борированные стали обладают устойчивостью против кор­ розии, окалиностойкостью (до 800 °С) и теплостойкостью.