Технология конструкционных материалов

Газовая цементация осуществляется в стационарных или перио­ дических конвейерных печах. Цементирующий газ подают в цемен­ тационную реторту. При газовой цементации можно получить задан­ ную концентрацию углерода в слое, сократитьдлительность процесса (отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных плохо про­ водящим тепло карбюризатором), обеспечить возможность полной механизации и автоматизации процесса, проводить закалку непо­ средственно от температуры цементации.

Содержание углерода в поверхностном слое при данной температуре определяется пределом растворимости углерода в аустените (линия SE диаграммы Fe—Fe3C). Так как температура цементации выше темпера­ турыАс3, углерод поглощается аустенитом (рис. 4.1, а). Предельное со­ держание углерода в аустените в непосредственной близости от по­ верхности обычно составляет 1,1...1,2 % и быстро убывает по толщине детали. При охлаждении детали происходят фазовые превращения

вповерхностном слое, а поскольку цементованный слой имеет пере­ менную концентрацию, то его структура различна по глубине.

Поверхностная зона имеет структуру, состоящую из перлита и це­ ментита — заэвтектоидная зона; затем идут эвтектоидная зона, состоя­ щая из одного перлита, и доэвтектоидная зона — из перлита и феррита (рис. 4.1, б). Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает

внаправлении к сердцевине. 3^ эффективную толщину цементован­ ного слоя принимают сумму заэвтекгоидной, эвтектоидной зон и по­ ловину переходной зоны до области, содержащей 0,4 % углерода.

Для получения необходимых свойств детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Обычно после це­ ментации структура стали крупнозернистая, что связано с выдержкой при высокой температуре. Для таких деталей проводятся двойная за­ калка и отпуск.

Первая закалка (или нормализация) проводится с температур 880...900 °С с целью измельчения структуры сердцевины и устране­ ния цементитной сетки в поверхностном слое. Вторую закалку про­ водят с нагревом до 760...780 °С для устранения перегрева цементо­ ванного слоя и придания ему высокой твердости. Для наследственно мелкозернистых сталей применяют закалку с температур выше Ас,. После газовой цементации такие изделия часто закаливают без по­ вторного нагрева, непосредственно из печи с температур 840...860 °С после подстуживания с целью уменьшения коробления обрабатывае­ мых изделий.

Расстояние от поверхности

Рис. 4.1. Схема режима цементации (а), участокдиаграммы Fe—Fe3C и кривая изменения содержания углерода по толщине цементованного слоя (б)

После закалки цементованные детали во всех случаях подвергают низкому отпуску при температуре 160...180 °С для уменьшения зака­ лочных напряжений и повышения сопротивления хрупкому разру­ шению.

4.3. Азотирование

Азотированием называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий азотом, в результате кото­ рого повышается твердость, износостойкость и предел выносливости ответственных деталей машин (например, коленчатых валов, гильз цилиндров, червяков, валов и др.). Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых сталей, которые прошли чистовую обработку, закалку и высокий отпуск. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Детали, подвергаемые азотированию, укладываются в герметич­ ные камеры, куда с определенной скоростью подается аммиак, кото­ рый при нагреве разлагается с образованием атомарного азота:

NH3 -» ЗН + N^.

Температура азотирования составляет 500...600 °С (рис. 4.2, а). Длительность процесса зависит от необходимой толщины азотирован­ ного слоя. Для определения структур, образующихся в поверхностных слоях при азотировании, рассмотрим диаграмму Fe—N (рис. 4.2, б), штриховые линии на которой указываюттемпературу азотирования.

Из диаграммы видно, что при температуре азотирования в системе Fe—N существуют следующие фазы: a -фаза— твердый раствор азота в a -железе (азотистый феррит); у'-фаза— твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N и е-фаза — твердый раствор на основе нитрида железа Fe2_3N. При медленном охлаждении от этихтемператур азоти­ рованный слой состоит из трех фаз: е, Y и а. При температуре выше 590 °С присутствуету-фаза — азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры 591 °С. При более низкой температуре он распадается на эвтектоид (а + / ) и азо­ тированный слой состоит из е-, у7- и (а + уО-фаз.

Распределение азота по глубине имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев. При азотирова­ нии углеродистыхсталей нарядус указанными выше фазами возможно образование карбонитридных фаз Fe2_3(N, С). Твердость азотирован­ ного слоя таких сталей невелика и составляет 450...550 HV. Поэтому азотированию рекомендуют подвергать стали, легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием и титаном, так как в них на по­ верхности образуются легированные е- и /-фазы типа (Fe, M)2_3N и (Fe, M)4N, а также нитриды типа Cr2N, AIN, Mo,N. Комплексное

греве в ванне, содержащей указанные соли, происходят'следующие реакции:

2NaCN+02 -4 2NaCNO,

2NaCNO + 0 2 -» Na2C 03 + 2NaT+ СО,

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Детали нагревают в расплавленных соляхдо температуры 820...860 °С

ивыдерживают 0,5... 1,5 ч. При этом толщина диффузионного слоя достигает 0,16.„О,35 мм и в нем содержится примерно 0,7 % углерода

и0,1% азота.

После цианирования детали закаливают непосредственно из циани­ стой ванны и подвергают низкому отпуску при 180...200 °С. Твердость цианированного слоя после термической обработки 58...62 HRC,. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более вы­ сокой износостойкостью. Его структура состоит из тонкого поверхно­ стного слоя карбонитридов Fe2(C, N), Fe3(C, N), после чего следует слой азотистого мартенсита.

Цианированию подвергают коленчатые валы, шестерни, режущий инструмент, штампы, пресс-формы и др. Основным недостатком цианирования является его ядовитость. Соли NaCl и ВаС1 добавляют для повышения температуры плавления смеси, что несколько умень­ шает испарение дорогих и ядовитых цианистых солей при рабочих температурах. Этих недостатков лишен процесс газового цианирова­ ния, получивший название нитроцементации.

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

Высокотемпературная нитроцементация осуществляется для дета­ лей 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 ускоряется в присутствии азота.

Низкотемпературная нитроцементация проводится для инстру­ мента из быстрорежущей стали при температурах 550...570 °С. Про­ цессдлится 1,5...3 ч, толщина нитроцементованного слоя 0,02...0,04 мм, а его твердость 900...1200 HV. Износостойкость инструмента повыша­ ется в 1,5...2 раза. Перед низкотемпературной нитроцементацией дета­ ли подвергают закалке и высокому отпуску.

После нитроцементации осуществляют закалку с 800...825 °С (пос­ ле подстуживания) и низкий отпуск при 160... 180 °С. Твердость дости­ гает 56...62 HRC3, а толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2...0,8 мм. Структура слоя представлена мелкокристаллическим мар­ тенситом, остаточным аустенитом и небольшим количеством дисперс­ ных включений карбонитридов. В случае повышенного количества аустенита после закалки рекомендуется обработка холодом.

Преимуществами нитроцементации по сравнению с цианировани­ ем являются безопасность процесса (отсутствуют ядовитые вещества), его низкая стоимость и возможность болееточного регулирования тол­ щины и состава поверхностного слоя. Преимущества по сравнению с цементацией заключаются в меньшей длительности и стоимости процесса, более простой термической обработке, меньшей деформа­ ции и более высокой износостойкости и усталостной прочности.

4.5. Диффузионнаяметаллизация

Диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных изделий металлами — диффузионная металлизация — производится с целью упрочнения и придания особых физико-химических свойств поверх­ ностному слою детали. Диффузионная металлизация может прово­ диться из расплавадиффундирующего металла или его солей, из газо­ вой и твердой фаз. Наибольшее распространение получили методы алитирования, хромирования и силицирования.

Алитирование, или диффузионное насыщение алюминием, прово­ дится для повышения жаростойкости и коррозионной стойкости де­ талей из углеродистых сталей, используемых преимущественно в теп­ лоэнергетическом машиностроении.

Насыщаемые детали вместе с порошком из ферроалюминия, оксида алюминия А120 3 и хлористого аммония NH4C1упаковывают в металли­ ческие контейнеры с плавкими затворами и нагревают до 950...1000 °С. Вовремя нагревав алитирующей смеси протекаютследующиереакции:

NH4C1->NH3+HC1,

6НС1+2А1 -* 2А1С13 + ЗН2.

Пары хлористого алюминия реагируют с железом на поверхности изделия по реакции:

Fe + AlClj FeCl3 + А1ет.

Атомарный алюминий диффундирует в металл, образуя твердый 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.

Хромирование, или диффузионное насыщение хромом, проводят для повышения твердости, износостойкости, окалиностойкости и кор­ розионной стойкости среднеуглеродистых сталей. В результате хро­ мирования на поверхности образуется тонкий слой (0,025...0,030 мм) карбида хрома (Cr, Fe)7C3 или (Cr, Fe)23C6 и переходный слой с высо­ ким содержанием углерода (0,8 %). Толщина хромированного слоя 0,1...0,3 мм, твердость — 1200...1300 HV. Хромирование осуществля­ ется из порошковой смеси, состоящей из феррохрома, оксида алюми­ ния и хлористого алюминия, при температуре 950... 1100 °С в течение 6... 12 ч.

Силиццрование, или диффузионное насыщение кремнием, приме­ няется для стальных и чугунных деталей для повышения коррозион­ ной стойкости в морской воде, в азотной, серной и соляной кислотах, износостойкости и жаростойкости при температурах до 700...750 °С. Силицирование проводят в порошковых смесях, содержащих ферро­ силиций, или в газовых средах при температуре 950... 1100 °С в тече­ ние 2...12 ч. Толщина силицированного слоя составляет 0,3...1,0 мм, структура поверхностного 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.

Глава 5

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

5.1. Влияниепримесейна свойствасталей

Сплавы на основе железа являются основными материалами для из­ готовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машино­ строении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механиче­ ских, физических, химических и других свойств. Свойства сталей за­ висят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), посто­ янными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называютуг- леродистой. Если в процессе выплавки добавляют легирующие эле­ менты (Cr, Si, Ni, Mn, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то получаютлегированную сталь.

Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и легирую­ щих элементов на механические свойства сталей.

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличе­ нием его содержания повышаются твердость и прочность стали, сни­ жаются пластичность и вязкость (рис. 5.1).

Временное сопротивление а„ достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеро­ дистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлит­ ной (0,8 %) и перлитоцементитной (свыше 0,8 % углерода). Появле­ ние в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и структурно не обна­ руживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая проч­ ность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внима­ ние, что содержание марганца и кремния в обычных сталях прибли­ зительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Рис. 5.1. Влияние углерода на механические свойства стали

Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима в желе­ зе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe—FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плав­ ления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической дефор­ мации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние се­ ры, так как соединяясь с серой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Мп - » MnS + Fe), температура плавления которого 1620 °С.

При температуре горячей обработки (800... 1200 °С) сульфид мар­ ганца не плавится, пластичен и поддействием внешних сил вытягива­ ется в направлении деформации. Вытянутая форма включений суль­ фида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь об­ рабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой ком­ пактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при ре­ зании.

Фосфорпопадает в сталь на стадии металлургического передела. Его растворимость в железе при высокой температуре достигает 1,2 %, од­ нако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. Находясь в феррите, фосфор резко повышает тем­ пературу перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025...0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксвды, нитри­ ды), которые усиливают анизотропию механических свойств, осо­ бенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в растворен­ ном состоянии не только ее охрупчивает, но и способствует возникно­ вению очень опасногодефекта — внутренних надрывов в металле, на­ зываемых флокенами.

Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на аллотропические превращения железа и фазовые превращения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.

Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказы­ вают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марганец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область сущест­ вования у-железа. Например, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки А3 и повышает температуру точ­ ки А4, что (при определенном их содержании) расширяет областьу-же- леза от температуры плавления до комнатной (рис. 5.2, о). Такие спла­ вы представляютсобойтвердый растворлегирующего элемента в у-же- лезе и относятся к сталям аустенитного класса.

Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А4и по­ вышает температуру точки А3, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 5.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до тем­ пературы плавления представляют собой твердый раствор легирую­ щего элемента в a -железе и называются сталями ферритного класса.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся мар­ ганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы растворяются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей фор­ муле (Fe, М),С, где М— легирующий элемент. При повышении содер­