Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория и методы технологического воздействия на среду и объекты с помощью термической обработки материалов в сельскохозяйственном производстве. Учебно.pdf
Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве. Глубина цементации в зависимости от
назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах
0,5…2,00 мм.
Цементацию проводят при 910…930 °С или для ускорения процесса при 1000…1050 °С повышением температуры уменьшается
время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой
цементации науглероженный слой толщиной 1,0…1,3 мм получают
при 920 °С за 15 часов, а при 1000 °С – за 8 часов.
Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна, высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.
Условия цементации: детали нагревают до t = 900–950 °С
в углеродсодержащей среде, которая называется карбюризатором.
Выдержка при этой температуре из расчета на толщину цементированного слоя 0,5–2,0 мм и скорости цементации 0,1 мм/час, при
твердой цементации (карбюризатор – гранулы древесного угля);
0,15 мм/час при газовой (газ типа Cn Н2n, Cn Н
), 0,3–1,0 мм/час при
2n+1
жидкой (расплав солей). Температура нагрева выбрана не случайно,
т. к. при такой температуре стали состоят из аустенита, который способен растворить большое количество углерода (рис. 3.1).
Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8…1,0 % и не достигает предела растворимости при
температуре цементации. Следовательно, сетка Fe3С при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода
состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур,
типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (рис. 3.2).
Цементация является промежуточной операцией, цель которой – обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое
упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за
многочасовой выдержки стали при температуре цементации.
51
t ,
C, %
0 , 1 0 , 3 0 , 8 2 , 1 4
t, °С
а
50 % Ф
П о в е р х н о с т ь
С > 0,8 % С = 0,8 % С <0,8% С =0,2 %
Е
C
А у с т е н и т
1 1 4 7
Е
t ц е м е н т а ц и и
G
9 1 1
7 2 7
– диапазон температур нагрева при цементации
Рис. 3.1. Область цементируемых сталей (0,1…0,3) % С
A
3
S
A
С Т
A
1
K
П Ц
П П П Ф Ф
190-230 Н В
1 з о н а
2 з о н а 3 з о н а И с х о д н а я с т р у к т у р
Г л у б и н а ц е м е н т а ц и и
1 – зона заэвтектоидной стали; 2 – зона эвтектоидной стали;
3 – зона доэвтектоидной стали; 4 – зона с исходной структурой
Рис. 3.2. Микроструктура цементованного слоя
После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода
в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали.
52
50 % П
С е р д ц е в и н а
160-180 Н В
Первую закалку проводят с нагревом до 850…900 °С (выше
точки А3 сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной
стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости
сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять
нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали
сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную
вязкость сердцевины.
После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 700…780 °С,
оптимальной для заэвтектоидных сталей.
После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.
При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до
840…860 °С. Заключительной операцией термической обработки
цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск
при 160…180 °С и переводящий мартенсит закалки в поверхностном
слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.
Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают
значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения
сжатия в поверхностном слое, достигающие 400…500 МПа, повышают предел выносливости изделия. Низкое содержание углерода
(0,08…0,25 %) обеспечивает высокую вязкость сердцевины.
3.3 Азотирование
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения
поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его
53
износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии
в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д.
Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур
(500…550 °С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего
мартенситную структуру, сохраняется только до 200… 225 °С.
Азотирование производят на готовых изделиях (закаленных,
отпущенных), т.к. размеры после обработки практически не изменяются.
До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали
шлифуют или полируют.
Азотирование стальных изделий проводят в интервале температур 500…620 °С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует,
поставляя активный атомарный азот:
NН3→N+3Н.
Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов
(AlN, TiN, VN и другие), которые существенно влияют на глубину
азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании
достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием (38Х2МЮА, 36ХНТМФА, 30ХТ2МЗЮ и др.).
Обычная углеродистая сталь малопригодна для азотирования, так
как поверхность получается недостаточно твердой и вместе с тем
хрупкой. Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных
напряжений. Тонкий слой 0,01…0,03 мм хорошо защищает простые
углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1 до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.
После азотирования в сердцевине детали получается структура сорбита, полученная термообработкой до процесса азотирования,
а поверхностный слой толщиной 0,01–0,6 мм (в зависимости от назначения) имеет микроструктуру, указанную на рисунке 3.3. Скорость азотирования составляет примерно 0,01 мм/ч.
54
П о в е р х н о с т ь
1 2 0 Н V
С е р д ц е в и н а
2 0 - 2 5 Н RC
А з о т и с т ы й з в т е к т о и д
( F e , C r , A l ) m
( C , N ) + F e 2 ( N )
Ф
Н и т р и д ы
( F e , C r , A l ) N
0 , 0 1 - 0 , 6 м м
Ц
С о р б и т
Рис. 3.3. Микроструктура азотированного слоя
Преимущества азотирования – отсутствие необходимости в дополнительной термической обработке, более высокая твердость и износостойкость (до температуры 600–650 °С, те же свойства цементованного слоя сохраняются до t = 180–250 °С), высокая коррозионная
стойкость поверхности детали. Недостатками являются низкая скорость процесса и необходимость применения дорогих легированных
сталей.
После азотирования деталь имеет коррозионностойкую, износостойкую поверхность твердости более 60 HRC и деталь не требует
последующей термообработки.
Дефекты азотирования. Деформация и изменение размеров
возникают в несимметричных деталях в результате возникновения
больших внутренних сжимающих напряжений. Вследствие увеличения удельного объема азотированного слоя размеры детали увеличиваются в среднем от 4 до 6 % в зависимости от глубины азотированного слоя. Поэтому при предварительной механической обработке
необходимо предусмотреть занижение размеров. Другим дефектом
азотированных деталей является их хрупкость и шелушение. При
пересыщении азотированного слоя азотом на поверхности образуется тонкая корочка, состоящая из хрупких нитридов. Ее можно
удалить шлифованием на глубину 0,01–0,05 мм. Шелушение чаще
всего наблюдается после азотирования сталей с крупнозернистой
структурой. Пониженная твердость возникает вследствие завышения температуры процесса и азотирования крупнозернистой стали,
в которой азот диффундирует по границам зерен, а внутренняя часть
зерен остается ненасыщенной. Пониженная глубина азотированного
55
слоя наблюдается при занижении температуры процесса. Пятнистая
твердость получается в результате загрязнения поверхности детали
(плохого обезжиривания при подготовке детали).
3.4 Цианирование
Цианирование (нитроцементация) заключается в одновременном насыщении поверхностного слоя детали углеродом и азотом.
Оно применяется для повышения твердости и износостойкости поверхности детали, повышения выносливости, усталостной прочности и коррозионной стойкости детали.
Одновременное присутствие углерода и азота ускоряет их совместную диффузию в поверхностные слои металла.
Цианированию подвергают углеродистые и легированные стали.
Различают два вида цианирования:
– высокотемпературное, проводимое при температуре, лежащей выше Ас3;
– низкотемпературное при температуре ниже Ac1.
При высокотемпературном цианировании металл насыщается
в большей степени углеродом, чем азотом, а при низкотемпературном цианировании – в большей степени азотом, чем углеродом.
Цианирование производится в жидкой или газовой среде.
При жидкостном цианировании используют расплавленные
цианистые соли (25 % NaCN, 60 % NaCl и 15 % Na2CО3).
Цианистые соли натрия (NaCN) при химическом взаимодействии с поверенной солью (NaCl) и содой (Na2СО3) разлагаются
с выделением активных (атомарных) углерода и азота.
При газовом цианировании изделия нагревают в смеси газов,
содержащих углерод и азот. Для этой цели используют смесь окиси
углерода СО и аммиака NH3.
При химическом взаимодействии их образуются активный
(атомарный) углерод и азот.
Высокотемпературное жидкостное цианирование производится при температурах 800…900 °C и дает при выдержке от 5 до
45 мин. глубину цианированного слоя до 0,075…0,10 мм.
Такое цианирование проводят в электрических печах-ваннах.
56
П о в е р х н о с т ь
6 2 - 6 5 Н RC
С е р д ц е в и н а
2 0 - 2 5 Н RC
М а р т е н с и т Ф е р р и т М а р т е н с и т
а з о т и с т ы й
0 , 2 - 0 , 6 м м
Ц и а н и р о в а н н ы й с л о й
Рис. 3.4. Микроструктура цианированного слоя
Следует при этом отметить, что применяемые расплавленные
цианистые соли представляют собой сильный яд.
В связи с вредностью производства жидкостное цианирование
заменяют газовым цианированием, которое может производиться
в муфельных электрических печах.
Высокотемпературное газовое цианирование проводится при
тех же температурах, но выдержка составляет 1…2 часа.
После последующей закалки и отпуска твердость цианированного изделия составляет 62…65 HRC. Применяется высокотемпературное цианирование для обработки шестерен и других деталей
машин и станков.
Низкотемпературное цианирование применяется для быстрорежущих сталей с целью повышения износостойкости инструмента
и проводится после полного цикла термической обработки инструмента при 500…600 °С, это обеспечивает получение весьма высокой
твердости и износостойкости.
3.5 Химико-термическая обработка деталей сельскохозяйственного машиностроения
В отрасли тракторного и сельскохозяйственного машиностроения изготавливают около 50 млн лемехов плугов в год, в том числе
лемехи предплужника, глубокорыхлителя, гузоуборочной машины.
Основным методом обеспечения долговечности деталей сельскохозяйственных машин является химико-термическая обработка.
57
Таблица 3.1 – Примеры упрочняемых деталей сельхозмашин
и их свойства
Толщина слоя, мм Твердость слоя
Наименование машин
и рабочего органа
Лемехи плугов
различного назначения:
П7702
ПО1702
П7702Б
Лемехи:
предплужника
глубокорыхлителя
гузоуборочной машины
Лапа культиватора:
стрельчатая
односторонняя (бритва)
Ножи:
силосорубочного
комбайна СК-2,6
скирдореза СНТ-7
измельчителя КИР
погрузчика силоса
ПСМ-1М
свеклоуборочного
комбайна
кукурузоуборочного
комбайна ККХ
радиус
Допустимый
1,1
1,2
1,1
1,0
0,7
0,7
0,3
0,3
0,5
0,25
0,25
0,25
1,2
0,3
затупления, мм
упрочненного
1,4–2,0
1,2–2,0
1,4–2,0
1,2–2,0
0,8–1,2
0,6–1,2
0,3–0,65
0,3–0,65
0,3–0,45
0,3–0,8
0,3–0,5
0,3–0,5
1,4–2,0
0,3–0,6
основного
1,5–2,1
3,0–3,5
3,0–3,5
2,5–3,0
–
1,2–2,0
1,0–1,4
1,0–1,4
0,4–0,8
0,6–1,2
0,6–1,2
0,6–1,2
2,0–3,5
0,6–1,2
HRС
упрочненного
48–54
58–62
48–54
58–62
48–62
58–62
58–62
58–62
48–54
58–62
58–62
58–62
48–54
58–62
НV основного
180–250
180–250
180–250
180–250
190–280
190–280
190–280
190–280
190–280
150–220
190–280
190–280
150–220
90–280
Основное направление развития и совершенствования процессов нитроцементации и цементации – проведение этих процессов
в комплексных автоматических линиях (безмуфельных агрегатах)
с зональным регулированием состава атмосферы и полной автоматизаций управления технологическими процессами. В настоящее
58
время разработаны и внедрены высокопроизводительные безмуфельные агрегаты, предназначенные для выполнения различных вариантов химико-термической обработки шестерен и других деталей
из различных легированных сталей. Примеры упрочняемых деталей
сельхозмашин приведены в таблице 3.1.
В тракторном машиностроении имеется группа зубчатых колес
сложной конфигурации (ведомые шестерни главных передач, задних
мостов и бортовых передач тракторов и самоходных шасси и некоторые шестерни коробки перемены передач), закалку которых с целью
повышения точности изготовления необходимо производить в фиксированном состоянии в штампах специальных прессов. Закалочные
процессы позволяют регулировать передаваемое на деталь усилие
в широких пределах как в осевом, так и в радиальном направлениях, осуществлять пульсацию нагрузки, регулировать подачу масла
в процессе охлаждения деталей. В некоторых конструкциях прессов
автоматическое устройство передает деталь со стола на нижнюю матрицу штампа: после закалки деталь автоматически передается в бак
для окончательного охлаждения, а затем выдается на разгрузочные
позиции.
3.6 Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация – это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами или
бором. Этот процесс имеет соответствующее название: при насыщении хромом – хромирование, алюминием – алитирование, кремнием –
силицирование и т.д.
Диффузионная металлизация может осуществляться в твердых,
жидких и газообразных средах. При диффузионной металлизации
в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие
обычно из ферросплавов с добавлением хлорида аммония (NH4Cl)
в количестве от 0,5 до 5 %. Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например, цинк, алюминий). При газовом способе насыщения применяют
летучие хлористые соединения (хлориды) металлов (AlCl3, CrCl2,
SiCl4 и т.д.), образующиеся при взаимодействии хлора с металлами
59
при высоких температурах. Хлориды диссоциируют на поверхности железа, и выделяющийся в атомарном состоянии металл диффундирует в железо. Диффузия металлов в железе идет значительно
медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы – твердые
растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои
при металлизации получаются в десятки раз более тонкими. Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температурах
от 900 °С до 1200 0С.
3.6.1 Алитирование
Алитирование (от нем. фирменного термина alitieren, от Al –
алюминий) – процесс насыщения поверхности металлов алюминием
с целью повышения окалиностойкости до t = 1100 °С и сопротивления атмосферной коррозии (повышения жаростойкости).
Алитированию подвергают чаще всего изделия из низкоуглеродистой стали, такие, как цементационные ящики, колосниковые
решетки и т.п. Жаростойкость алюминиевых деталей повышается за
счет создания на поверхности защитной окисной пленки Аl2Оз.
Алитированные детали обладают жаростойкостью при нагреве
до 900…950 °С.
Алитирование проводят в порошкообразных смесях (50 % Al
или ферроалюминия, 49 % Al2O3 и 1 % NH4CI или 99 % ферроалюминия и 1 % NH4CI). При 1000 °С и выдержке в течение 8 ч образуется
слой в 0,4–0,5 мм, насыщенный алюминием.
Алитирование выполняется также:
– металлизацией (на поверхность детали наносят слой алюминиевого порошка и после изоляционной обмазки деталь подвергают
диффузионному отжигу);
– покраской деталей алюминиевой краской (с последующим
диффузионным отжигом в защитной атмосфере);
– в расплаве алюминия (с 6…8 % железа) при 700…800 °С
с последующей выдержкой и др. методами.
Алитирование применяют при изготовлении клапанов автомобильных двигателей, лопаток и сопел газовых турбин, деталей аппаратуры для крекинга нефти и газа, труб пароперегревателей, печной
арматуры и т. п.
60