Материаловедение / 29

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 6.3, в). При первой закалке с нагревом выше линии А_с3 (880...900 °С) происходит перекристалли­зация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, а соответственно и образование мелкозернистых продуктов распада. Кроме того, при этом нагреве растворяется в поверхностном слое це-ментитная сетка. При нагреве под вторую закалку на 30-50 °С выше температуры А_с1 (760...780 °С) происходит отпуск образовавшегося ранее мартенсита с образованием глобулярных карбидов и мелкого аустенитного зерна. После второй закалки и низкотемпературного от­пуска поверхностный слой детали имеет структуру отпущенного мар­тенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцеви­ны детали зависит от химического состава и ее геометрических размеров и может быть от феррито-перлитной для углеродистых ста­лей до сорбитной, трооститной и даже мартенситной, но с невысоким содержанием углерода, обладающим высокой ударной вязкостью, для легированных сталей.

Заключительной операцией при любом техпроцессе является низкотемпературный отпуск, после которого твердость поверхности составляется 58.. .62 HRC.

При одинарной закалке высоколегированных сталей в структуре со­храняется большое количество остаточного аустенита (до 50...60 %). Для дальнейшего превращения остаточного аустенита в мартенсит и по­вышения твердости необходима дополнительная обработка холодом.

Цементации подвергают детали, работающие в условиях трения при высоких ударных и циклических нагрузках, от которых требуется высокая износостойкость и поверхностная твердость при вязкой сердцевине (шестерни, распределительные валы, поршневые пальцы и др.). При назначении цементации необходимо для цементуемых по­верхностей закладывать припуск 0,05.0,10 мм на последующее шли­фование. Цементованные поверхности могут эксплуатироваться при температурах не выше 250 °С.

6.3. Азотирование сталей

Азотирование представляет собой процесс диффузионного на­сыщения поверхностного слоя детали азотом в среде азотсодержаще­го газа (аммиака, аммиака с азотом и др.). Данный вид ХТО был предложен русским металловедом Чижевским Н. П. в 1912 году. Азо­тирование проводится с целью увеличения твердости поверхностного слоя, износостойкости и устойчивости против коррозии.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, содержа­щие 0,4...0,5 % углерода, легированные элементами, образующими нитриды - Cr, Mo, V и др. Весьма эффективно азотирование для сталей легированных алюминием. Длительность выдержки при насыщении азотом 24...60 ч. Азотирование производят на глубину до 0,3...0,6 мм. Твердость и толщина азотированного слоя зависят от температуры, дав­ления газа, длительности процесса насыщения, химического состава стали (рис. 6.4).

Азотирование проводится в герметичных печах при температуре 500...700 °С чаще всего в среде аммиака, который при температуре выше 400 °С диссоциирует с образованием атомарного азота:

2NH₃ > 2N_ат + 3Н₂.

Аммиак пропускают со скоростью, обеспечивающей диссоциа­цию 25 % его, с целью исключения обезуглероживания стали. Охлаж­дение детали после азотирования проводят вместе с печью в потоке аммиака до 200 °С во избежание окисления поверхности.

В сплавах железа с азотом образуются следующие фазы: а-фаза -

твердый раствор азота в а-Fe; у-фаза - твердый раствор азота в у-Fe (образуется при температурах выше эвтектоидной, составляющей 591°С); у'-фаза - твердый раствор на базе Fe₄N (растворяет 5,7...6,1 % N), s-фаза - твердый раствор на базе Fe_2-3N (растворяет 8,0...11,2 % N).

В случае азотирования при температуре ниже эвтектоидной диффузионный слой состоит из трех участков: s + у' + а. Носителем твердости является нижний подслойа , в котором наблюдается выде­ление дисперсных нитридов легирующих элементов типа MeN, Me2N. Слой у' очень тонок и под микроскопом трудно различим. Слой s-фазы непрочный и хрупкий.

Азотирование при температуре выше эвтектоидной создает по­верхностный слой, состоящий из s + у' + у + а фаз. При медленном охлаждении азотистый у-аустенит распадается на эвтектоид: у — а + у', а при быстром охлаждении он претерпевает мартенситное

превращение. Этот мартенситный подслой и обеспечивает макси­мальную твердость.

Легирующие элементы W, Mo, Cr, Ti, V повышают раствори­мость азота в а-фазе и образуют специальные нитриды типа MeN и Me2N (VN, Cr2N и др.), выделяющиеся в мелкодисперсном состоянии.

Твердость азотированного слоя выше, чем цементованного (до 70.. .75 HRA) и сохраняется до 550.. .600 °С, в то время как цемен­тованного до 250 °С.

Азотирование является заключительной операцией. До азотиро­вания выполняется вся механическая обработка детали, производится закалка и высокотемпературный отпуск (улучшение), окончательное шлифование. После азотирования детали могут подвергаться тонкому чистовому шлифованию или полированию.

Азотирование создает в поверхностном слое детали напряжения сжатия до 600.. .800 МПа, что приводит к увеличению предела вынос­ливости гладких образцов на 30.40 %, а образцов с надрезом на

100 %.

В промышленности применяется также ионное азотирование (азотирование в тлеющем разряде), которое проводится в разряжен­ной азотсодержащей атмосфере аммиака или азота.

Азотирование осуществляется в специальной герметичной ка­мере. Обрабатываемые детали подключаются к отрицательному элек­троду-катоду. В качестве анода используется контейнер установки. Технологический процесс состоит из двух стадий: катодное распыле­ние и собственное насыщение. Катодное распыление проводят при напряжении между электродами 1100.1400 В и давлении в камере 0,1.0,2 мм рт. ст. При возбуждении между катодом и анодом тлею­щего разряда происходит ионизация газа и ионы бомбардируют по­верхность катода, нагревая его до температуры насыщения. Обычно длительность этой стадии от 5 до 60 мин. При этом поверхность дета­ли разогревается до 250 °С.

Далее насыщение поверхности азотом осуществляется при на­пряжении 300.800 В и давлении в камере 1.10 мм рт. ст. Темпера­тура поверхности достигает 470.580 °С. Длительность процесса на­сыщения азотом составляет от 1 до 24 часов в зависимости от желаемой толщины азотированного слоя. Использование данного ме­тода сокращает в 2.3 раза длительность процесса.

Повышению износостойкости способствует создание карбонит-ридных поверхностных слоев путем азотирования в среде, содержа­щей 50 % аммиака и 50 % эндогаза. Насыщение осуществляется при температуре 570 °С в течение 1.3 ч. Происходит образование карбо-нитридного слоя (Fe, Me)2-3 (N, C) толщиной 7.25 мкм, обладающего меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем азоти­стая s-фаза (Fe, Me)_2-3 N. Твердость карбонитридного слоя в зависи­мости от состава стали достигает 6000.10000 HV (МПа).

6.4. Цианирование и нитроцементация сталей

Одновременное диффузионное насыщение поверхности стали углеродом и азотом в расплавленных цианистых солях называется цианированием, а в газовой среде - нитроцементацией. Диффузион­ное насыщение одновременно углеродом и азотом осуществляется с целью повышения твердости и износостойкости поверхностей дета­лей из среднеуглеродистых сталей.

Нитроцементация производится в среде науглероживающего га­за и аммиака в специальных герметичных печах при температуре 850.860 °С в течение 4.10 ч. В качестве рабочей среды использует­ся эндогаз 80.90 % с добавлением 5.15 % природного газа и 5 % аммиака или эндогаз с жидким карбюризатором-триэтаноламином (C₂H₅O)₃N. Эндогаз представляет смесь газов в следующей пропор­ции: 40 % N2 + 40 % H2 + 20 % CO.

При легировании аустенита азотом снижается температура а ^± у превращения, что позволяет вести процесс при более низких

температурах. В присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность атомов углерода в аустените.

Нитроцементация осуществляется на глубину 0,2.0,8 мм. После насыщения сразу же из печи производится закалка и низкотем­пературный отпуск при температуре 160.180 °С. Нитроцементация

4