Цементация, азотирование, цианирование

Химико-термическая  обработка:

               Цементация, азотирование, цианирование.                                               

  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 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 ^oС 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% СН

₄); 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 сжимающиенапряжения.

    

Азотирование.