2. Диффузионное насыщение стальных деталей углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно эти­ми элементами — наиболее распространенные в промышленности процес­сы химико-термической обработки.

Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффунди­руют на значительную толщину.

1. Цементация стали

Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом назы­вается цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закал­ке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет 0,8 — 1 %, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хо­рошо сопротивляется износу, твердость поверхности равна 750 - 950 НУ.

Сердцевина детали, содержащая 0,08 - 0,25 % С, остается вязкой. Поверх­ности, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднени­ем; толщина медного слоя составляет 0,02 - 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые долж­ны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зуб­чатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, чер­вяки и т.д.

Ка рбюриза торы

Исходную среду для цементации (науглероживания) принято назы­вать карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, процесс цементации в твердом и газовом карбюризаторе идет через газо­вую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20 - 25 % ВаСОз для интенси­фикации процесса и 3 - 5 % СаСОз для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упако­вывают в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910 - 930 °С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

2С + 0₂ -> 2СО

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции ВаСОз + С -» ВаО + 2СО

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации ре­акция диспропорционирования

2С0^С0₂ + С

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой по­верхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а С0₂ взаимодейству­ет с углем, образуя новые порции СО.

Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорциониро­вания углерод переносится на насыщаемую поверхность.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разба­вленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), контро­лируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в гер­метичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую среду. Основная ведущая реакция при наличии метана

СН₄ —> 2Н2 + С

В ряде случаев (эндотермическая контролируемая атмосфера) при на­личии в газе СО возможна также реакция 2СО —> СО2 + С. В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабо­чем пространстве печи может быть науглероживающей, обезуглерожива­ющей и нейтральной. Нейтральному составу газовой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности сталь­ной детали. Эту концентрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируемой атмосферы. Следовательно, науглерожи­вание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше углеродного потенциала газовой смеси при данной температуре.

Структура цементованного слоя

Типичная структура цементованного слоя на поверхности низкоугле­родистой стали после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 7.3. Обычно ее сопоставляют со схемами, представлен­ными на рис. 7.4. Наружная часть слоя, содержащая > 0,8% С, имеет структуру заэвтектоидных сталей — перлит и вторичный цементит, ко­торый при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе сетка). Средняя часть слоя, имеющая эв- тектоидную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответству­ет доэвтектоидной стали, причем количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине.

Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя (см. рис. 7.4).

За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтек- тоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 —1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм (при больших контактных нагрузках на цементо­ванную поверхность).

С

Рис. 7.3. Микроструктура диффузи­онного слоя после цементации низко­углеродистой стали. х2О0:

1 - заэвтектоидная зона; 2 - эвтектоидная зона; 3 - доэвтектоидная зона

Рис. 7.4. Участок диаграммы состояния Ре — ГезС, а также изменение содержания углеро­да и структуры по толщине цементованного слоя Л (схема) 1_п — температура цементации; <_з1, <12 — температура нагре­

ва при первой и второй закал­ке соответственно

труктура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Дли­тельность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.

Таблица 7.1. Зависимость средних скоростей газовой цементации низкоуглеродистых сталей от температуры и толщины слоя

Толщина слоя, мм	иср , мм/ч, при 1, °С
	850	875	900	925	950	975	1000
До 0,5	0,35	0,4	0,45	0,55	0,75	-	-
0,5-1	0,16	0,2	0,3	0,4	0,55	0,85	0,96
1 - 1,5	0,1	0,15	0,2	0,3	0,4	0,55	0,75
1,5-2	0,06	0,1	0,15	0,2	0,25	0,38	0,55
2-2,5	0,04	0,07	0,12	0,15	0,2	0,32	0,4
2,5-3	-	-	0,1	0,13	0,18	0,28	0,35
3-3,5	-	-	0,07	ОД	0,16	0,21	0,27
3,5-4	-	-	0,04	0,06	0,12	0,18	0,25

Процесс газовой цементации идет быстрее, так как не приходится на­гревать ящик с карбюризатором (табл. 7.1). Кроме того, этот процесс легко регулируется и автоматизируется. На заводах работают автома­тизированные агрегаты для цементации, которые регулируют процесс по углеродному потенциалу.

Термическая обработка после цементации

Для получения заданного комплекса механических свойств после це­ментации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изгото­вления детали стали режим упрочняющей термической обработки может отличаться. Для тяжело нагруженных трущихся деталей машин, испы­тывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхност­ную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес — высокую прочность на изгиб), а также высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств необходимо мелкое зерно как на поверх­ности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цемен­тованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30 — 50° С выше температуры Асз цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали образуется аустенит (см. рис. 7.4). Нагрев до температур, лишь немного превышающих Асз, вызывает перекристаллизацию сердце­вины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре как видно на рис. 7.4, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, по­этому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до 1₃2 с превышением на 30 — 50 °С температуры Ас\ (см. рис. 7.4). В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровожда­ется образованием глобулярных карбидов, которые в определенном коли­честве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоид- ной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160 — 200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не сни­жающий твердость стали (рис. 7.5).

После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой при­обретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобуляр­ных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. Если для цементации выбрана углеродистая сталь, то из-за ма­лой прокаливаемости в сердцевине получится сорбитная структура; если же цементировалась легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Во всех случаях из-за низкого содер­жания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.

Детали менее ответственного назначения после цементации подвер­гают более простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска.

Если для цементации выбирают природно-мелкозернистые стали и содержание углерода на поверхности близко к эвтектоидному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое. Однократную закалку широко используют на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом кар­бюризаторе. Выгодно и удобно в этом случае закалку проводить после цементационного нагрева (рис. 7.6). Цементованные детали подвергают шлифованию.

2. А

   

   Рис. 7.5. Схема термической обра­ботки ответственных деталей ма­шин после цементации:

   I - цементация; II - двойная закалка; III - низкий отпуск

   

   Рис. 7.6. Схема термиче­ской обработки при одно­кратной закалке после це­ментации:

   /-цементация; II- нодстужи- вание; III - закалка; IV - от­пуск

   зотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые ва­лы, гильзы цилиндров, червяки, валики, шестерни и др.)

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500 — 600 °С в му­фелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий ам­миак (рис. 7.7).

Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоци­ации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверх­ностью детали, а затем диффундируют вглубь.

При нагреве аммиака в изолированном объеме возможна лишь реак­ция с образованием молекулярного азота

2Ш₃ -* N2 + ЗН₂

который не может диффундировать в сталь без ионизации.

Формирование структуры азотированной зоны в углеродистых ста­лях происходит примерно так же, как при азотировании железа. Поэто­му, пользуясь диаграммой состояния Ге - N (рис. 7.8), можно предска­зать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По мере

Рис. 7.7. Схема установки для азотирования:

1 - баллон с аммиаком; 2 - фильтр; 3 - испаритель; 4 ~ отстойники для очистки аммиака; 5 - фильтр тонкой очистки и осушитель; 6 - ротаметр; 7- термопара; 8- печь для азотирования; 9- диссоциометр; 10- мано­метр; 11 - гидравлический затвор

насыщения железа азотом при температуре ниже 590° С снача­ла образуется а-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой 7 фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в центрах элемен­тарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается обра­зованием на поверхности слоя е- фазы с ГП решеткой и упорядо­ченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.

При медленном охлаждении после азотирования вследствие пе­ременной растворимости азота в а- и е-фазах (см. рис. 7.8) про­исходит выделение вторичной фц- фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к серцпевине становится следующей; е + —>

-

Рис. 7.8. Участок диаграммы со­стояния системы Ре — К, а так­же изменение содержания азота и фазового состава по толщине слоя Л при температуре азотирования

1&ЭОТ

» Ц¹ -» а + 7^! -» а.

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой е-фазы, корро­зионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Ге - N е- и 7^,-фазы имеют сравнительно невысокую твердость —■ соответственно 450 НУ и 550 НУ. Значительно большая твердость достигается при азотирова­нии специально легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразуюшие элементы: Сг, Мо, А1, V, Ть

При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической вы­держке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне.

Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирова­ния легированной стали 38Х2МЮА, содержащей, %: 0,35 - 0,42 С; 1,35 - 1,65 Сг; -0,7 - 1,10 А1 и 0,15 - 0,25 Мо. Комплексное легирование хромом, алюминием и молибденом позволяет повысить твердость азотированно­го слоя до 1200 НУ. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Процесс азотирования — весьма длительная операция. Так, при обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500 — 520 °С за 55 ч выдержки. Такую же толщину зоны можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510 °С, 15 и 550 °С, 25 ч.

По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азоти­рование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает кон­тактные нагрузки на поверхность детали.