7.6.3. Азотирование

Азотирование – диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом. Азотирование проводят при температуре 480…600°С в среде частично диссоциированого аммиака, который является источником атомарного азота: NH3→3/2H2+N_ат. Длительность процесса азотирования составляет 24…60 часов для получения слоя толщиной 0,3…0,6 мм.

Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали (0,3…0,5%С), легированные хромом, молибденом, алюминием, ванадием, например 38Х2МЮА (0,38%С, 2% Cr, 1% Al, 0,2% Mo). Азотированный слой имеет многофазное строение: на поверхности образуются нитриды железа (ε- и γ΄-фазы, Fe_2-3N и Fe₄N соответственно), а также нитриды легирующих элементов типа MeN и Me₂N, которые придают высокую твёрдость (1100…1200 HV) азотированному слою.

Перед азотированием проводится термообработка, как правило, улучшение (закалка с высоким отпуском), с целью повышения прочности и вязкости сердцевины за счет формирования структуры сорбита зернистого. Затем проводят механическую обработку для придания окончательных размеров изделию, наносят защитные покрытия на участки, не подлежащие азотированию. После азотирования проводят окончательное шлифование изделия.

Азотирование повышает твердость, износостойкость, предел выносливости, сопротивление коррозии и применяется для упрочнения шестерен, гильз цилиндров, коленчатых и распределительных валов, клапанов двигателей внутреннего сгорания и т.д.

Структуры сталей после закалки:

• доэвтектоидных - М+А_ОСТ,

• эвтектоидной - М+А_ОСТ,

• заэвтектоидных – М+А_ОСТ+Ц_II.

Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe₃C с нанесенными температурами нагрева под закалку

Задача: Сталь ШХ15 содержит ~1%С и 1,5%Cr. Термообработка: закалка в масле с температуры 820…850°С + низкий отпуск при 150…170°С. Структура – мартенсит и дисперсные карбиды. Сталь ШХ15СГ дополнительно содержит 0,8%Si и 1,2%Mn для повышения прокаливаемости, и применяется для крупногабаритных подшипников

Билет № 11

Диаграмма состояния Fe-С. Фазы и структуры на диаграмме. Виды сталей и чугунов на диаграмме.

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии

Различают три группы сплавов железа с углеродом: техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы с содержанием углерода менее 0,02%, их структура: Ф+Ц_III (Рис. 20а).

Стали –сплавы с содержанием углерода от 0,02% до 2,14%С:

• доэвтектоидные стали, 0,02%<С<0,8%, их структура - Ф+П (Рис.20 б,в);

• эвтектоидная сталь содержит 08%С, структура - П (Рис.20 б,г);

• заэвтектоидные стали, 0,8%<%С<2,14%, структура - П+Ц_II (Рис.20 д,е).

Чугуны – сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%С. Чугуны, в которых весь углерод находится в виде цементита, называют белыми:

• - доэвтектические белые чугуны, 2,14%<%С<4,3%, структура - П+Л+Ц_II (Рис.20 ж);

• - эвтектический белый чугун, 4,3%С, структура – Л (Рис.20 з);

• - заэвтектические белые чугуны, 4,3%<%С<6,67%, структура – Л+Ц_I (Рис.20 и).

Белые чугуны из-за высокой хрупкости в промышленности не применяют, их используют для производства сталей и серых чугунов

2. Цементация стали. Стали для цементации. Назначение и режимы цементации. Термическая обработка после цементации. Строение и свойства цементованного слоя. Применяемые стали.

Цементация – это вид химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом. Цель цементации - повышение твёрдости и износостойкости поверхности при сохранении вязкой сердцевины.

Цементацию проводят при температуре 930…950°C в углеродсодержащей среде (карбюризаторе). В качестве карбюризатора чаще используют газовые среды, например, эндогаз (20%СО+40%H2+40%N2, с добавкой 5% CH4). Основным источником атомарного углерода является окись углерода: 2СО→CO₂+C_ат. Атомы углерода, образующиеся в насыщающей среде, адсорбируются на поверхности детали, а затем диффундируют вглубь. Образуется диффузионный слой с повышенной концентрацией углерода, толщина которого зависит от температуры и длительности насыщения и составляет обычно 1…2 мм. Для получения слоя толщиной 1,5 мм цементацию проводят в течение 15 часов. Охлаждение после цементации ведут на воздухе.

Цементации подвергают малоуглеродистые стали (0,1…0,3%С). После цементации в поверхностном слое находится до 0,8…1,1%С, содержание углерода плавно уменьшается по глубине до исходной его концентрации в стали. Соответственно меняется структура от поверхности вглубь слоя от заэвтектоидной (П+Ц_II), эвтектоидной (П) к доэвтектоидной (П+Ф).

Для получения окончательной структуры и свойств детали после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Для наследственно мелкозернистых сталей закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи, подстуживая детали до 860°C, затем дают низкий отпуск при 160-200°C. Для устранения крупнозернистой структуры сталей применяют повторный нагрев под закалку после цементации.

Окончательная структура поверхности изделия - М_ОТП+А_ОСТ+Ц_II с высокой твердостью (58..64 HRC). Структура сердцевины углеродистых сталей – сорбит(перлит)+феррит, легированных – бейнит или малоуглеродистый мартенсит.

Цементуемые стали – низкоуглеродистые, содержат 0,1…0,3%С. Применяются для деталей, от поверхности которых требуется высокая твердость и износостойкость, а от сердцевины повышенная вязкость.

Термообработка: цементация+закалка+низкий отпуск. Структура на поверхности: М_ОТП+Ц_II+А_ОСТ, твердость поверхности 58…64 HRC. Структура сердцевины зависит от химического состава стали.

Углеродистые стали: 15, 20, 25. Структура сердцевины П+Ф; Применяются для ненагруженных деталей - шестерен, крепежа, кулачков и др.

Низколегированные хромистые стали: 15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХМ. Структура сердцевины - нижний бейнит. Применение - поршневые пальцы, распределительные валы, крестовины карданного вала и др.

Легированные Cr-Ni- и Cr-Mn-стали: 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 25ХГМ, 18ХГТ. Структура сердцевины – низкоуглеродистый мартенсит. Применяют их для высоконагруженных деталей, работающих в условиях износа, ударных и циклических нагрузок: шестерни ведущих мостов и главных передач грузовых автомобилей, валы коробок передач, полуоси и др.

3. Стали для штампов горячего и холодного деформирования. Их состав, марки, термообработка, структура, свойства, применение.

Стали для штампов

Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Стали для штампов холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость, прочность и достаточную вязкость.

Для штампов небольшого размера применяют углеродистые стали У10, У11, У12, для более крупных – стали с большей прокаливаемостью Х, ХВСГ. Термообработка: закалка + низкий отпуск. Структура: мартенсит отпуска и вторичный цементит (карбиды). Твердость после термообработки 62…63 HRC.

Для крупных штампов сложной формы (формовочных штампов, матриц, пуансонов, кузовных штампов) применяют высокохромистые стали ледебуритного класса Х12Ф1 и Х12М, обладающие высокой прокаливаемостью (до 200 мм). После закалки и низкого отпуска стали получают структуру: М_отп+карбиды (Cr,Fe)₇C₃ и твердость 60…62 HRC.

Стали для штампов горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения. Дополнительные требования к ним:

• теплостойкость,

• окалиностойкость;

• разгаростойкость – способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования трещин;

Применяют среднеуглеродистые стали (0,3…0,5%С), обладающие повышенной вязкостью: 5ХНМ и 5ХГМ. Термообработка: закалка в масле+высокий отпуск. Структура: троостосорбит, твердость 40…45 HRC, рабочая температура – 500…550С.

Стали повышенной теплостойкости 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф используют для штампов, работающих с разогревом поверхности до 600…700С (прошивные пуансоны, матрицы пресс-форм для отливок медных и алюминиевых сплавов и т.д.) После закалки и последующего отпуска при 560…640С происходит дисперсионное упрочнение мартенсита за счет выделения специальных карбидов М₂₃С₆ и М₆С. Структура – троостит, обладающая твердостью 45…50 HRC и достаточной вязкостью.

Задача: 30ХГМ – 0,3%С, 1%-хром, 1% - марганец, 1% - молибден.

Основная термообработка: улучшение (закалка + высокий отпуск). Структура: зернистый сорбит, который оптимально сочетает высокую прочность с высокой ударной вязкостью и выносливостью. Для малонагруженных деталей вместо улучшения проводится нормализация. Улучшаемые стали

Билет №12

Дефекты кристаллического строения и их влияние на свойства