2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом.

Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твѐрдые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя слой значительной толщины.

Цементация стали – технологический процесс диффузионного насыщения углеродом. Концентрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8 – 1%. Сердцевина детали, содержащая 0,08 – 0,25%С, остаѐтся вязкой, а поверхности, не подлежащие цементации, защищаются 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 колѐса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д.

Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20–0,25 %). После цементации и окончательной термической обработки обеспечивается получение поверхностной твердости 56–64 НRC при сохранении вязкой сердцевины (рис. 12.3), что определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям.

Рис. 12.3. Толщина цементованного слоя зубчатого колеса

Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и иногда в расплавах солей (жидкостная цементация).

Поверхностный слой после цементации еще не обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для создания этих качеств требуется окончательная термическая обработка (закалка и отпуск).

Карбюризатор – исходная среда для цементации (науглероживание). В основном применяют два способа цементации:

 В твѐрдом карбюризаторе: древесный уголь + добавки углекислого бария.

 Газовый карбюризатор: разбавленный природный газ (состоящий почти полностью из метана: СН₄ → 2Н₂ + С), а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую среду.

Структура цементованного слоя. Наружная часть слоя, содержащая более 0,8%С, имеет структуру заэвтектойдных сталей – перлит и вторичный цементит в виде сетки по границам зѐрен. Средняя часть слоя, имеющая эвтектойдную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектойдной стали, причѐм количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине.

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.

Надо помнить, что структура 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.

Цементацией называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий углеродом. Цементация применяется для деталей, работающих в условиях трения и высоких контактных давлений (например, зубчатые колеса, валы, пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д.). Обработке подвергаются детали с припуском на шлифование из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,1...0,25 % углерода, и низколегированных сталей типа 20Х, 15ХР, 20ХН, 18ХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4 и др. Глубина цементованного слоя колеблется от 0,5 до 4 мм. После цементации изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. В результате такой обработки твердость поверхностного слоя достигает 58...62 НRСэ при сохранении вязкой сердцевины детали. В основном применяют два вида цементации: твердую и газовую.

При твердой цементации карбюризатором, т. е. науглероживающим веществом, служит смесь древесного угля и углекислых солей. Углекислые соли добавляют к древесному углю в количестве 10...30 % в качестве катализаторов. Детали укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором так, чтобы они не соприкасались друг с другом, со стенками и дном ящика. Сверху ящик закрывают крышкой и щели замазывают огнеупорной глиной. Ящики устанавливают в печь и нагревают до температуры 910...950°С. При такой температуре уголь взаимодействует с кислородом воздуха, сохранившегося в порах засыпки.

Цементация в твердом карбюризаторе — длительная операция, скорость которой составляет 0,10...0,12 мм/ч при температуре 930°С, а длительность зависит от толщины требуемого цементованного слоя. Для получения цементованного слоя глубиной 1 мм при температуре 930°С длительность процесса составляет около 10 ч.

После окончания цементации ящики вынимают из печи, охлаждают на воздухе, а затем распаковывают и вынимают детали.

Цементация в твердом карбюризаторе— малопроизводительный процесс, который применяется только при мелкосерийном и индивидуальном способе производства.

Газовая цементация наиболее широко применяется в массовом производстве. Основной реакцией, обеспечивающей выделение свободного атомарного углерода, является диссоциация метана и оксида углерода.

В качестве карбюризатора используют разбавленный Природный газ (метан), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также пары жидких углеводородов.

В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может иметь различную науглероживающую способность. Скорость газовой цементации 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 периодических конвейерных печах. При газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое, сократить длительность процесса (отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных плохо проводящим тепло карбюризатором), обеспечить возможность полной механизации и автоматизации процесса, проводить закалку непосредственно от температуры цементации.

Для получения необходимых свойств детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Обычно после цементации структура стали крупнозернистая, что связано с выдержкой при высокой температуре. Для таких деталей проводятся двойная закалка и отпуск. Первая закалка (или нормализация) проводится с температур 880...900 °С с целью измельчения структуры сердцевины и устранения цементитной сетки в поверхностном слое. Вторую закалку проводят с нагревом до 760...780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости.

Для наследственно мелкозернистых сталей применяют закалку с температур выше Ac₁. После газовой цементации такие изделия часто закаливают без повторного нагрева, непосредственно из печи с температурой 840...860°C после подстуживания с целью уменьшения коробления обрабатываемых изделий.

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

Термическая обработка после цементации. В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали и получения заданного комплекса свойств после цементации режим упрочняющей термической обработки может быть различным:

 Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твѐрдость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес – высокая прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить 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^оС выше температуры А₃ цементируемой стали. Это обеспечит перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что в свою очередь обеспечит мелкозернистость продуктов распада.

При второй закалке деталь нагревают до температуры на 30-50^оС выше температуры А₁. в процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определѐнном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектойдной части слоя, увеличивая его твѐрдость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160-200^оС, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твѐрдости стали.

Структура после двойной закалки и низкого отпуска – отпущенный мартенсит с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. В углеродистых сталях в сердцевине получается сорбитная структура. В легированных сталях, в зависимости от количества легирующих элементов, может получиться бейнит или низкоуглеродистый мартенсит. 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 эвтектойдному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое. Однократная закалка широко используется на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе.

Выгодно и удобно закалку проводить с температур цементации.

Цементованные детали подвергают шлифованию.

Азотирование стали – процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей.

Азотированием называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стальных изделий азотом, в результате которого 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.

Азотирование – поверхностное насыщение стали азотом применяется, как и цементация, преимущественно для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей машин и механизмов.

Азотирование ведут путем нагрева заготовок в газовой среде аммиака, который под воздействием температур процесса разлагается и таким образом обеспечивает насыщение поверхности заготовок азотом.

Кроме того, азотирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости материала, а также теплостойкость упрочненного поверхностного слоя. Характер упрочнения в результате азотирования принципиально иной по сравнению с цементацией. Высокая твердость и износостойкость слоя достигается при образовании сплошной зоны нитридов легирующих элементов, содержащихся в стали на внешней поверхности изделия.

Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают углеродистые стали. Для повышения поверхностной твердости и износостойкости используют комплексно-легированные стали, содержащие хром, молибден, алюминий и другие компоненты, например 30ХМЮА, 38ХЮА, 34ХН1М и др. Азотированию подвергают наиболее ответственные детали: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, детали топливной аппаратуры. Азотирование также проводят для нержавеющих сталей ферритного или аустенитного класса: 30Х1З, 40Х13, 40Х14Н14В2М и др.

Изделия после азотирования без дополнительной термической и механической обработки сразу подаются на сборку. Размеры изделий при азотировании не изменяются, поэтому азотированию подвергаются готовые детали без припусков на окончательную механическую обработку. В связи с этим свойства, которыми должна обладать сердцевина изделия, должны быть сформированы до азотирования. Поэтому заготовки для изготовления азотируемых деталей подвергают предварительной термической обработке (улучшению), включающей закалку и высокотемпературный отпуск.

Цель: повысить износостойкость и предел выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).

Детали, подвергаемые азотированию, укладываются в герметичные камеры, куда с определенной скоростью подается аммиак, который при нагреве разлагается с образованием атомарного азота.

Азотирование— длительная операция. Для получения слоя толщиной 0,5 мм требуется порядка 60 ч при температуре азотирования 500...520°С. С целью ускорения процесса азотирование проводят по двухступенчатому режиму: при 500...520 °С в течение 12...15 ч и при 540...600 °С в течение 20...25 ч. Вторая стадия ускоряет диффузионные процессы и общая длительность процесса сокращается в 1,5...2 раза.

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

Обычно азотирование проводят при температуре 500-600^оС в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий (лат. диссоциация – распадение молекул на несколько более простых частиц) аммиак.

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

2NН₃ → N₂ + 3Н₂ при нагреве

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой έ-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. Высокие твѐрдость и износостойкость получаются после азотирования комплексно-легированных сталей. Например: сталь 38Х2МЮА – твердость азотированного слоя достигает 1200НV. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Процесс азотирования – весьма длительная операция. Требуется от 40 до 55 час. Для получения диффузионной зоны толщиной около 0,5 мм.

Надо помнить: по сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твѐрдость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большой длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает величину контактных нагрузок на поверхность детали.

Методы совместного насыщения азотом и углеродом

Совместное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом предусматривает возможность реализации принципиально различающихся способов в зависимости от того, какой из этих элементов является основным, а какой − дополнительным. В соответствии с этим различают цианирование и нитроцементацию. Цианирование ведут в жидких средах – расплавах солей, а нитроцементацию − в газовой среде.

Цианирование и нитроцементация обеспечивают получение слоя, аналогичного, получаемому при цементации. Азот увеличивает прочностные свойства слоя, его износостойкость. Основное применение низкотемпературного цианирования – дополнительное упрочнение режущего и штампового инструмента, изготовленного из быстрорежущих и других теплостойких сталей. Инструменты после окончательной термической обработки на максимальную твердость и после шлифовки и заточки насыщают углеродом и азотом, при этом формируется тонкий (0,04–0,09 мм) карбонитридный слой высокой твердости и износостойкости, увеличивающий режущую стойкость инструмента в 1,5–2,0 раза. Термообработки после насыщения, как и после азотирования, не требуется.

Цианирование

Цианирование сталей заключается в поверхностном насыщении стальных изделий одновременно углеродом и азотом из расплавленных цианистых солей NaCN с добавками солей NaCl, BaCl и др. При нагреве в ванне, образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Детали нагревают в расплавленных солях до температуры 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 HRC_Э.

Цианированный слой по сравнению с цементованным 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, режущий инструмент, штампы, пресс-формы и др. Основным недостатком цианирования является его ядовитость. Соли NaCl и BaCl добавляют для повышения температуры плавления ванны, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых цианистых солей при рабочих температурах. Этих недостатков лишен процесс газового цианирования, получивший название нитроцементации.

Одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом (нитроцементация).

Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получить определенные преимущества. Например: азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850^оС и получить такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания.

Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии. Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.

Существенный недостаток цианирования – ядовитость цианистых солей (ионов СN-), что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.

Для информации: разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей – цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием «Карбонитрация» (Россия), «Тенифер» (Германия) и «Мелонайт» (США).

Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение деталей в расплаве едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [CN-].

Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбонитрацию.

В зависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в следующих пределах: температура расплава 530-570^оС, время выдержки 5-30 мин.

При нитроцементации совмещают процессы газовой цементации и азотирования и используют смесь СО, СО₂, 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 ускоряется 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 НV. Износостойкость инструмента повышается в 1,5...2 раза. Перед низкотемпературной нитроцементацией детали подвергают закалке и высокому отпуску.

После нитроцементации осуществляют закалку с 800...825°С (после подстуживания) и низкий отпуск при 160... 180°С. Твердость достигает 56...62 HRC_Э, а толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2...0,8 мм.

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