Химико-термическая обработка

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 достигаются обогащением 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 ?-железо более чем на порядок выше,

чем в ?-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 ?-

железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой фазе углерода.

Цементация проводится при температурах 920-950 ?С и выше, при которых сталь

находится в аустенитном состоянии.

Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в

аустените выражается уравнением:

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

Или по другим данным:

Dc=(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 1100о 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 950о 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.

o Цементация в твердом карбюризаторе.

o Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты

(далее т. в. ч.).

o Цементация в пастах.

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

o Газовая цементация.

o Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.

o Цементация с нагревом т. в. ч.

o Ионная цементация.

o Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.

o Цементация в жидкой среде.

o 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 0С 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 0С 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:

2NH3 = 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 0С.

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 0С

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 0С в течение

нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против

воздействия температур (до 600 0С) 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 ?-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%, Na2CO3 25-50%, температура

цианирования 840-870 0С, продолжительность процесса - 1ч.

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

Реакции идущие в ванне №1:

2NaCN + O2 = 2NaCNO

2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 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 0С в цианистых ваннах, содержащих

цианплав, и при глубоком цианировании при 900-950 0С 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 0С

подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной

твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и

противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при 560-580 0С,

т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры

существования ?-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.