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 достигаютсяобогащением 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 o
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.
¨ 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 0
С 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 процес
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 0
С 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:
2
NH3
= 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 0
С.
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 0
С 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 0
С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 0
С) 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 a-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%, Na2
CO3
25-50%, температура цианирования 840-870 0
С, продолжительность процесса - 1ч.
№2
цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl2
55%.
Реакции идущие в ванне №1:
2NaCN + O2
= 2NaCNO
2NaCNO + o2 = Na2
CO3
+ 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 0
С в цианистых ваннах, содержащих цианплав, и при глубоком цианировании при 900-950 0
С 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 0
С подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при 560-580 0
С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры существования g-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.