Материаловедение и технология конструкционных материалов

Взависимости от состава газовой смеси и содержания углерода

встали атмосфера в рабочем пространстве печи может иметь раз­ личную науглероживающую способность. Скорость газовой цемен­ тации составляет 0,12...0,15 мм/ч при температуре 930...950 °С, а толщина диффузионного слоя достигает 1,7 мм.

Газовая цементация осуществляется в стационарных или пе­ риодических конвейерных печах. Цементирующий газ подают

вцементационную реторту. При газовой цементации можно полу­ чить заданную концентрацию углерода в слое, сократить дли­ тельность процесса (отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных плохо проводящим тепло карбюризатором), обеспе­ чить возможность полной механизации и автоматизации процес­ са, проводить закалку непосредственно от температуры цемен­ тации.

Содержание углерода в поверхностном слое при данной тем­ пературе определяется пределом растворимости углерода в аустените (линия SE диаграммы Fe—Fe3C). Так как температура цементации выше температуры Ас3, углерод поглощается аустенитом(рис. 5.1, а). Предельное содержание углерода в аустените

внепосредственной близости от поверхности обычно составляет 1,1...1,2 % и быстро убывает по толщине детали. При охлажде­ нии детали происходят фазовые превращения в поверхностном слое, а поскольку цементованный слой имеет переменную кон­ центрацию, то его структура различна по глубине.

Поверхностная зона имеет структуру, состоящую из перлита и цементита — заэвтектоидная зона; затем идут эвтектоидная зона, состоящая из одного перлита, и доэвтектоиднаЯ зона — из перлита и феррита (рис. 5.1, б и рис. 5.2). Количество феррита

вэтой зоне непрерывно возрастает в направлении к сердцеви­ не. За эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной зон и половину переход­ ной зоны до области, содержащей 0,4 % углерода.

Для получения необходимых свойств детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Обычно после цементации структура стали крупнозернистая, что связано с вы­ держкой при высокой температуре. Для таких деталей прово­ дятся двойная закалка и отпуск.

Первая закалка (или нормализация) проводится с темпера­ тур 880...900 °С с целью измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое. Вторую

Из диаграммы видно, что при температуре азотирования в си­ стеме Fe—N существуют следующие фазы: а-фаза— твердый раствор азота в a -железе (азотистый феррит); /-ф аза— твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N и е-фаза — твердый рас­ твор на основе нитрида железа Fe2_3N. При медленном охлажде­ нии от этих температур азотированный слой состоит из трех фаз: е, / и а. При температуре выше 590 °С присутствует у-фаза — азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры 591 °С. При более низкой тем­ пературе он распадается на эвтектоид (а + у'), и азотированный слой состоит из е-, у'- и (а + уО'фаз (рис. 5.3, в). Структура азо­ тированного слоя стали, легированной алюминием, приведена на рис. 5.4.

Г

Рис. 5.4. Структура азотированного слоя стали, легированной

алюминием:

е — светлая тонкая полоса; у — темная широкая полоса

Распределение азота по глубине имеет скачкообразный харак­ тер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев. При азотировании углеродистых сталей наряду с указанными выше фазами возможно образование карбонитридных фаз Fe2_3(N, С). Твердость азотированного слоя таких сталей невелика и состав­ ляет 450...550 HV. Поэтому азотированию рекомендуют под­ вергать стали, легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием и титаном, так как в них на поверхности образуются легированные е- и /-фазы типа (Fe, M)2_3N и (Fe, M)4N, а также нитриды типа Cr2N, AIN, Mo2N. Комплексное легирование хро­ мом, молибденом и алюминием позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 HV, а в сталях, не содержащих алюминий, — до 950 HV.

Азотирование — длительная операция. Для получения слоя толщиной 0,5 мм требуется порядка 60 ч при температуре азо­

тирования 500...520 °С. С целью ускорения процесса азотиро­ вание проводят по двухступенчатому режиму: при 500...520 °С в течение 12...15 ч и при 540...600 °С в течение 20...25 ч. Вто­ рая стадия ускоряет диффузионные процессы и общая длитель­ ность процесса сокращается в 1,5...2 раза.

jg g j| Цианирование

Цианирование сталей заключается в поверхностном насыще­ нии стальных изделий одновременно углеродом и азотом из рас­ плавленных цианистых солей NaCN с добавками солей NaCl, BaCl и др. При нагреве в ванне, содержащей указанные соли, происходят следующие реакции:

2NaCN + 0 2 -> 2NaCNO,

2NaCNO + 0 2 -> Na2C03 + 2Nai + СО,

2СО -> С02 + Сат.

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Детали нагревают в расплавленных солях до темпера­ туры 820...860 °С и выдерживают 0,5...1,5 ч. При этом толщина диффузионного слоя достигает 0,16...0,35 мм и в нем содержится примерно 0,7 % углерода и 0,1 % азота.

После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и подвергают низкому отпуску при 180...200 °С. Твердость цианированного слоя после термической обработки 58...62 HRC3. Цианированный слой по сравнению с цементован­ ным обладает более высокой износостойкостью. Его структура состоит из тонкого поверхностного слоя карбонитридов Fe2(C, N), Fe3(C, N), после чего следует слой азотистого мартенсита.

Цианированию подвергают коленчатые валы, шестерни, ре­ жущий инструмент, штампы, пресс-формы и др. Основным не­ достатком цианирования является его ядовитость. Соли NaCl и BaCl добавляют для повышения температуры плавления смеси, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых циани­ стых солей при рабочих температурах. Этих недостатков лишен процесс газового цианирования, получивший название нитро­ цементации.

126 Раздел I. Материаловедение

При нитроцементации совмещают процессы газовой цемен­ тации и азотирования и используют смесь СО, С02, Н2, СН4, NH3. Температура и состав атмосферы контролируются и зависят от марки стали, требуемой структуры и глубины насыщаемого слоя детали.

Высокотемпературная нитроцементация осуществляется для деталей из конструкционных сталей при температурах 830...950 °С и из легированных — при 850...870 °С. Процесс длится 4... 10 ч, так как диффузия углерода существенно уско­ ряется в присутствии азота.

Низкотемпературная нитроцементация проводится для инструмента из быстрорежущей стали при температурах 550...570 °С. Процесс длится 1,5...3 ч, толщина нитроцементованного слоя 0,02...0,04 мм, а его твердость 900...1200 HV. Изно­ состойкость инструмента повышается в 1,5...2 раза. Перед низко­ температурной нитроцементацией детали подвергают закалке и высокому отпуску.

После нитроцементации осуществляют закалку с 800. ..825 °С (после подстуживания) и низкий отпуск при 160...180 °С. Твер­ дость достигает 56...62 HRC3, а толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2...0,8 мм. Структура слоя представлена мел­ кокристаллическим мартенситом, остаточным аустенитом и не­ большим количеством дисперсных включений карбонитридов. В случае повышенного количества аустенита после закалки ре­ комендуется обработка холодом,.

Преимуществами нитроцементации по сравнению с цианиро­ ванием являются безопасность процесса (отсутствуют ядовитые вещества), его низкая стоимость и возможность более точного регулирования толщины и состава поверхностного слоя. Преиму­ щества по сравнению с цементацией заключаются в меньшей длительности и стоимости процесса, более простой термической обработке, меньшей деформации и более высокой износостойко­ сти и усталостной прочности.

5.5. Диффузионная металлизация

Диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных изде­ лий металлами — диффузионная металлизация — производится с целью упрочнения и придания особых физико-химических

свойств поверхностному слою детали. Диффузионная металлиза­ ция может проводиться из расплава диффундирующего металла или его солей, из газовой и твердой фаз. Наибольшее распро­ странение получили методы алитирования, хромирования и силицирования.

Алит ирование, или диффузионное насыщение алюминием, проводится для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости деталей из углеродистых сталей, используемых пре­ имущественно в теплоэнергетическом машиностроении.

Насыщаемые детали вместе с порошком из ферроалюминия, оксида алюминия А120 3 и хлористого аммония NH4C1 упаковы­ вают в металлические контейнеры с плавкими затворами и на­ гревают до 950...1000 °С. Во время нагрева в алитирующей смеси протекают следующие реакции:

NH4C1 -» NH3 + НС1,

6НС1 + 2А1 -» 2АЮ13 + ЗН2.

Пары хлористого алюминия реагируют с железом на поверх­ ности изделия по реакции:

Fe + А1С1Я-» FeCl3 + AI„.

Атомарный алюминий диффундирует в металл, образуя твер­ дый раствор алюминия с железом в поверхностном слое изделия. После выдержки в течение 3...16 ч обеспечивается толщина алитированного слоя 0,3...0,5 мм, а содержание алюминия в нем достигает 40...50 %-.

Жидкостное алитирование проводится при температуре 750...800 °С в ванне с расплавленным алюминием, содержащим

3...4 % Fe. После выдержки в течение 45...90 мин получается насыщенный алюминием слой толщиной 0,20...0,35 мм.

На рис. 5.5 показана микроструктура стали 45 после алити­ рования в расплавленном алюминии при 800 °С. Диффузионный слой состоит из фазы Fe2Al5 и имеет иглообразный характер.

Хромирование, или диффузионное насыщение хромом, про­ водят для повышения твердости, износостойкости, окалиностойкости и коррозионной стойкости среднеуглеродистых сталей. В результате хромирования на поверхности образуется тонкий слой (0,025...0,030 мм) карбида хрома (Cr, Fe)7C3 или (Cr, Fe)23C6 и переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8 %).

Толщина хромированного слоя 0,1...0,3 мм, твердость — 1200...

1300 HV. Хромирование осуществляется из порошковой смеси, состоящей из феррохрома, оксида алюминия и хлористого алю­ миния, при температуре 950...1100 °С в течение 6...12 ч.

На рис. 5.6 приведена структура хромированного слоя на армко-железе после газового хромирования при 1100 °С, про­ должительность процесса 6 ч.

С илицирование, или диффузионное насыщение кремнием, применяется для стальных и чугунных деталей для повышения коррозионной стойкости в морской воде, в азотной, серной и соля­ ной кислотах, износостойкости и жаростойкости при темпера­ турах до 700...750 °С. Силицирование проводят в порошковых смесях, содержащих ферросилиций, или в Газовых средах при температуре 950...1100 °С в течение 2...12 ч. Толщина силицированного слоя составляет 0,3... 1,0 мм, структура поверхност­ ного слоя состоит из твердого раствора кремния в a -железе, за которым располагается перлит (200...300 HV). Силицированный слой имеет поры, которые часто пропитывают маслом при 170...200 °С для повышения износостойкости деталей.