Термическая обработка стали после цементации и свойства

Цементованных деталей

Термическая обработка углеродистой стали после цементации часто сводится к двойной закалке и отпуску. Изделие после цементации условно рассматривается как двухслойное: наружный слой представляет собой эвтектоидную или заэвтектоидную сталь и требует неполной закалки (Ас₁ + 30-50 °С), т. е. 750-780 °С; сердцевина изделия представляет собой доэвтектоидную сталь, содержащую 0, 1-0, 25 %С и требует для измельчения зерна нагрева до температур, лежащих выше точки Ас₃, т. е. 880-900 °С.

Таким образом, первую закалку осуществляют с температуры 880-900 °С для исправления крупнозернистой структуры после нагрева в процессе цементации.

Вторая закалка проводится с нагревом до 750-780 °С для устранения перегрева и придания высокой твердости цементованному слою.

Заключительной операцией термообработки служит низкий отпуск при 150-180 °С.

При обработке легированных сталей широко применяют одинарную закалку с 820-850 °С, но в структуре цементованного слоя легированных сталей сохраняется большое количество остаточного аустенита, резко снижающего твердость.

Рис. 3. Термическая обработка стали после цементации

Чтобы перевести остаточный аустенит в мартенсит и тем самым увеличить твердость, цементованные легированные стали подвергают обработке холодом с последующим низким отпуском.

Нормальная твердость поверхностной части цементованного слоя находится в пределах 59-63 HRC.

Одновременно с увеличением твердости и износостойкости цементация с последующей закалкой и отпуском значительно повышает сопротивление стали к переменным нагрузкам за счет образования в цементованном слое сжимающих остаточных напряжений.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Так как азотированный слой сам по себе (без какой-либо последующей термической обработки) приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, то в отличие от процессов цементации азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точных размеров.

Азотирование обычно проводят при 500-600 °С. Детали, подвергаемые азотированию, помещают в герметическую емкость, вставленную в печь. В эту емкость из баллона подают с определенной скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции:

2NH₃ → 3H₂ + 2N_ат.

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл. Упрочнение при азотировании обусловлено насыщением азотом α и γ фаз железа и образованием новых фаз внедрения γ ’-нитрид Fe₄N и ε -нитрид Fe₃N. Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения – нитриды (CrN, Cr₂N, MnN, MoN, TiN, AlN и т. д.).

Коэффициент диффузии азота в α -железе можно определить по формуле

см²/сек*. (4)

Азотирование применяют для повышения твердости и износостойкости, усталостной прочности и сопротивления коррозии. С целью получения высокой твердости и износостойкости азотированию подвергают специальные стали (нитраллои), содержащие элементы, дающие нитриды высокой термической устойчивости (CrN, MoN, AlN). Наиболее распространенными марками стали, предназначенными для азотирования, являются стали 35ХМЮА и 38ХМЮА. Наличие повышенного содержания углерода приводит к образованию на поверхности карбонитридных фаз типа Fe₃(C, N) или Fe₃(N, C). Так как в данном случае в задачу азотирования входит получение высокой твердости, то обычно температуру азотирования держат на уровне 500-520 °С (продолжительность зависит от требуемой глубины слоя).

При этих температурах не происходит укрупнение образовавшихся карбонитридных фаз.

Для азотирования характерны исключительно высокая поверхностная твердость и неглубокий диффузионный слой в отличие от цементации, где при относительно небольшой продолжительности процесса достигается более значительная глубина диффузионного слоя при значительно меньшей твердости. Преимущество азотированного слоя – в получении более твердых и износостойких поверхностных слоев. Но азотированные детали значительно дороже, так как этот процесс более длительный и для азотирования применяют дорогие легированные стали, кроме того, тонкий азотированный слой, в отличие от цементированного, может выдержать меньшие удельные нагрузки. Для совмещения достоинств цементации и азотирования на практике чаще применяют процесс одновременного насыщения деталей углеродом и азотом, именуемый нитроцементацией.

Нитроцементация. Цианирование стали

Под нитроцементацией понимают процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом. Насыщение стали из цианистых солей именуют цианированием. Особые свойства стали, поверхностный слой которой насыщен одновременно азотом и углеродом, обусловили широкое внедрение этого процесса в промышленность.

Цианирование можно проводить в твердых и жидких средах. Поэтому различают твердое, жидкое цианирование.

Твердое цианирование осуществляют аналогично твердой цементации; только карбюризатор содержит цианистые соли. Процесс производительности значительно менее эффективен, чем жидкое цианирование и применяется редко.

Жидкое цианирование проводят в расплавленных цианистых солях. Химизм образования активных атомов углерода и азота состоит в разложении цианистых солей с образованием свободных атомов углерода и азота и диффузии их вглубь металла.

Нитроцементацию осуществляют в смеси науглероживающих и азотирующих газов (например, смеси аммиака и метана).

Результаты нитроцементации определяются глубиной слоя и концентрацией в нем углерода и азота. На состав и свойства насыщенного слоя оказывает особое влияние температура насыщения. Повышение ее увеличивает содержание углерода в слое, снижение увеличивает содержание азота. Поэтому нитроцементацию разделяют на высокотемпературную при 800-950 °С и низкотемпературную при 500-600 °С.

Высокотемпературные процессы газовой нитроцементации

в атмосфере смеси эндогаз, природный газ и аммиак

В настоящее время на всех автомобильных заводах страны и Европы нитроцементация является приоритетным видом химико-термической обработки деталей.

Процесс нитроцементации заключается в нагреве стали в газовой среде, состоящей из азота и углеводородосодержащих газов до 820-880 °С, выдержке в течение времени, необходимого для получения диффузионного слоя заданной глубины и охлаждения со скоростью, обеспечивающей необходимые свойства поверхностного слоя и сердцевины.

Насыщение поверхностных слоев стали углеродом и азотом при химико-термической обработке зависит от комплекса сложных процессов, протекающих на границе раздела «газовая среда-поверхность детали», а также в поверхностных слоях металла.

Активные атомы углерода, обеспечивающие адсорбцию и диффузию, образуются из эндогаза и добавок природного газа по реакциям:

СН₄ → С_ат + 2Н₂;

2СО → С_ат + СО₂,

атомы азота по реакции:

2NH₃ → 2N_ат + 3Н₂.

Атомарный азот и углерод адсорбируются на поверхности детали и диффундируют вглубь металла по позициям внедрения в кристаллической решетке железа. Одновременно с выделением активных атомов углерода и азота в газовой реакционной зоне выделяется значительное количество водорода и двуокиси углерода.

Для процесса нитроцементации применяются те же печи и автоматические линии, что и для цементации. Нитроцементация перед цементацией имеет ряд преимуществ:

1. Значительное повышение износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости.

2. Снижение себестоимости за счет получения равнозначной прочности при меньших глубинах, лучшей прирабатываемости нешлифуемых деталей.

3. Снижение температуры процесса на 100 °С.

4. Снижение критической скорости закалки.

Содержание отчета

Каждый из студентов получает фото или шлиф поверхностного слоя детали, подвергнутой химико-термической обработке.

Студент представляет письменный отчет о работе, в который должно быть включено:

1. Определение используемого вида химико-термической обработки.

2. Оценка толщины диффузного слоя.

3. Краткое описание назначения данного вида химико-термической обработки, его достоинств, недостатков и технологии проведения.

4. По толщине диффузного слоя рассчитать время проведения химико-термической обработки.

5. Режимы термической обработки после данной химико-термической обработки. Если она проводится, то представить режимы в виде графика.

6. Зарисовать структуру поверхностного слоя стали после химико-термической обработки.

5. Контрольные вопросы

1. Какие основные процессы происходят при химико-термической обработке?

2. Что такое цементация, азотирование и нитроцементация и какую цель преследуют эти виды ХТО?

3. Какие виды цементации, азотирования и нитроцементации применяют в промышленности, их преимущества и недостатки?

4. При какой температуре проводят цементацию, азотирование стали?

5. Какую структуру имеет поверхностный слой после цементации?

6. По какой формуле определяют коэффициент диффузии углерода в стали?

7. По какой формуле определяют толщину диффузионного слоя?

8. Как определяют толщину цементованного слоя?

9. Какую термическую обработку проводят после цементации и с какой целью?

Библиографический список

1. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с.

2. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.

3. Лахтин Ю. М. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.

4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

5. Арзамасов Б. И., Сидорин И. И., Косолапов Г. Ф. и др. Материаловедение / Под ред. Б. Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 324 с.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 9 10 1112