Химико-термическая обработка стали

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 α-железо более чем на порядок выше, чем в γ-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% 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.

При цементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в смеси с углекислыми солями — карбонатами (ВаСО₃, Nа₂СО₃, К₂СО₃, СаСО₃ и др.).

Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легированной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации.

Для цементации заготовки  помещают в стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают  крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5—10 ч при температуре 930—950 °С.

 

Технология цементации деталей  в твердом карбюризаторе заключается  в следующем. Детали очищают от грязи, масла, окалины и упаковывают  в цементационный ящик. На дно ящика  насыпают карбюризатор слоем 25—30 мм,

на него укладывают первый ряд деталей. Расстояние между деталями должно быть 15—20 мм, а между деталями и стенкой ящика 15—25 мм. На первый ряд деталей насыпают карбюризатор и укладываютследующий ряд деталей, снова засыпают карбюризатор, и так до заполнения ящика до верха. Сверху ящик закрывают крышкой и обмазывают глиной (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Упаковка деталей в  цементационный ящик:

1 — ящик; 2 — карбюризатор; 8 — «свидетели»; 4 — детали.

 

При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадается по реакции

ВаСО₃ + С ® ВаО + 2СО.

В результате образуется оксид углерода, который на поверхности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его массовое содержание в аустените, далее по достижении предела растворимости образуется цементит

3Fe + С ® Fe₃С.

 

Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от карбюризатора нанесением на них обмазок или омедняют электролитическим способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5—3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95— 1,1 % С.

При газовой цементации в  качестве карбюризатора применяют  различные газы и газовые смеси (природный, светильный, генераторный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углеводороды, из которых особое значение имеет метан СН₄. Газовую цементацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900— 950 °С и непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые каплями подаются в печь и, испаряясь, образуют газы- карбюризаторы.

Преимуществом газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются двух-трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процессом. Газовая цементация применяется очень широко.

Цементированные заготовки  подвергают однократной или двойной закалке и низкому отпуску. Однократную закалку с нагревом до 820—850 °С применяют в большинстве случаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительная выдержка в горячей печи при цементации не сопровождается большим ростом зёрен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840— 860 °С.

Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую  ударную вязкость и твёрдость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят;

I) закалку пли нормализацию с нагревом до температуры 880- 900⁰ С для исправления структуры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760— 780 °С для измельчения структуры цементированного слоя и придания ему высокой твердости (до 60—64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкому отпуску (150— 170 °С).

Углеродистая сталь имеет  очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовок  из такой стали независимо от скорости охлаждения имеет структуру перлит + феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит + феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую критическую скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

Шахтные печи для  цементации и нитроцементации

Электропечи сопротивления  шахтного типа СШЦМ предназначены для  цементации, нитроцементации и нагрева  изделий под закалку в безокислительной атмосфере или окислительной  атмосфере. Отличительными особенностями  данных печей является: равномерное  распределение температуры в  зоне нагрева, точная цифровая регулировка  параметров процесса, высокая равномерность  образующегося цементованного слоя. Печи СШЦМ поставляются как с модулем подготовки печных атмосфер МППА-SSi, где в качестве приборов измерения и управления углеродным потенциалом используется продукция компании Super Systems Inc. (США), мирового лидера по производству приборов для управления печными атмосферами, так и в упрощенном исполнении: с капельницей, без контроля потенциала.   СШЦМ 8.20/9,5 МППА-SSi СШЦМ 6.12/9,5     Особенности конструкции: Процессы цементации, нитроцементации или безокислительной закалки в электропечи осуществляется в жаропрочной герметичной реторте, подвешенной внутри печи. Современная конструкция волокнистой футеровки печи значительно экономит энергоресурсы по сравнению с печами других производителей. Футеровка стен и крыши печи выполнена из керамического волокна производства компании Unifrax (Франция). Дно печи выполнено из легковесного огнеупорного кирпича. Сверху реторта закрывается футерованной крышкой. Фланец крышки и вал вентилятора не требуют охлаждения водой. Компактный гидравлический привод подъема крышки. обеспечивает плавное, без рывков, открывание и закрывание крышки печи, что помимо удобства работы обеспечивает высокую надежность контактной пары крышка-муфель и высокую надежность работы уплотнения. Высокоэффективное перемешивание насыщающей атмосферы обеспечивается вентилятором, установленным в крышке печи, и рассекателем потока атмосферы, установленным в реторте. Управление температурой осуществляется современным микропроцессорным программируемым контроллером «Термодат 14» и термопарой. Контроллер ТД-14 позволяет удобно задавать любые многоступенчатые режимы химико-термической обработки и обеспечивает автоматическое их выполнение. Нагревательные элементы выполнены из сплава Суперфехраль. Загрузка и выгрузка садки производиться с помощью цеховых подъемных средств. реторта Ø 800-4000 реторта Ø 800-2000   СШЦМ 11.15/9,5 Исполнения Исполнение И1 И8 И9 И10 И11 Назначение Цементация (керосин, синтин) и нитроцементация  (триэтаноламин),   нагрев под закалку, отжиг Цементация, нагрев под закалку, отжиг в автоматически  регулируемой атмосфере Цементация, нитроцементация, нагрев под закалку, отжиг в автоматически  регулируемой атмосфере Цементация, нагрев под закалку, отжиг в автоматически регулируемой атмосфере Цементация, нитроцементация, нагрев под закалку, отжиг в автоматически  регулируемой атмосфере Карбюризатор Керосин, синтин, триэтаноламин Пропан-бутановая  смесь в баллонах или сетевой  природный газ Керосин, синтин Окислитель Воздух Вода, воздух Приборы управления печной атмосферы Капельница для  ручной регулировки расхода жидкого  карбюризатора МППА-SSi 02 МППА-SSi 04 МППА-SSi12 МППА-SSi 14     Преимущества: Отличные теплоизоляционные качества футеровочных материалов обеспечивают уменьшение толщины футеровки и уменьшение габаритных размеров печи; Низкая плотность футеровочных материалов обеспечивает высокую экономичность и быстрый разогрев печи за счет уменьшения общего количества тепла, аккумулируемого футеровкой; Использование модулей МППА за счет применения автоматического регулирования углеродного потенциала полностью исключает влияние человеческого фактора на процесс цементации, исключает брак по микроструктуре и приводит к снижению затрат на термообработку за счет исключения исправляющей структуру термообработки, а также значительно экономит средства на замену оснастки и реторт; Использование модулей МППА расширяет возможности по управлению микроструктурой цементованного слоя Проверенные на десятках выпущенных печей конструктивные решения Отсутствие водяного охлаждения