Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова
Кафедра материаловедения.
РЕФЕРАТ
Химико-термическая обработка:
Цементация, азотирование, цианирование.
Выполнил:
Студент гр. МС-12-98
Карпов С. Н.Проверил
Преподаватель
Алексеева Н. А.Чебоксары, 1999 год.
Химико-термическая обработка стали.
ЦЕМЕНТАЦИЯ.
Цементация — наиболее распространенный в машиностроении способ химико-
термической обработки стальных деталей — применяется для получения высокой
поверхностной твердости, износостойкостью и усталостной прочности деталей.
Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя низкоуглеродистой
и нелегированной стали углеродом до концентрации эвтектоидной или
заэвтектоидной и последующей термической обработкой, сообщающей
поверхностному слою структуру мартенсита с тем или иным остаточным
количеством остаточного аустенита и карбидов.
Глубина цементированного слоя обычно находится в пределах 0,5 — 2,0 мм
(иногда для мелких деталей в пределах 0,1 — 0,3 мм, а для крупных — более
2,0 мм). Цементацию стальных деталей осуществляют в твердых, газовых и
жидких карбюризаторах. За последние годы все большее развитие получает
газовая цементация.Диффузия углерода в сталь.
По количественной характеристике диффузии углерода в железо накоплены
многочисленные данные.
Коэффициент диффузии углерода в ?-железо более чем на порядок выше,
чем в ?-железо, имеющее значительно более плотно упакованную решетку.
Диффузия углерода в феррите обуславливает возможность протекание таких
низкотемпературных процессов, как коагуляция и сфероидизация карбидов в
отожженной стали, карбидообразование при отпуске закаленной стали,
графитизация и т. д. Однако, цементация при температурах существования ?-
железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой фазе углерода.
Цементация проводится при температурах 920-950 ?С и выше, при которых сталь
находится в аустенитном состоянии.
Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в
аустените выражается уравнением:
Dc=(0,07 + 0,06C%)e -32000/RT
Или по другим данным:
Dc=(0,04 + 0,08C%)e -31350/RT.
Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода
в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Это,
очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки аустенита
и термодинамической активностью углерода.
Легирующие элементы оказывают существенное влияние на диффузию
углерода в аустените, что связано с искажением кристаллической решетки,
изменением энергии межатомной связи в твердом растворе и термодинамической
активности углерода.
Результаты изучения влияния легирующих элементов на коэффициент
диффузии углерода в аустените при 1100о С приведены на рисунке 1. При
других температурах влияние некоторых элементов на коэффициент диффузии
углерода в аустените изменяется. карбидообразующие элементы обычно
замедляют, а некарбидообразующие ускоряют диффузию углерода. Однако,
следует заметить, что это обобщение требует существенного уточнения. Так,
например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените при
низких температурах (ниже 950о С), что согласуется с представлением о
кремнии как о некарбидообразующем элементе, искажающем кристаллическую
решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию.Сталь для цементации.
Цементированные детали после соответствующей термической обработки
должны иметь твердый, прочный поверхностный слой, стойкий против износа и
продавливания, и достаточно прочную и вязкую сердцевину. В связи с
последним требованием для цементации применяют низкоуглеродистую сталь,
содержащую 0,08 — 0,25 %С.
В последние годы для высоконагруженных зубчатых колес и других
ответственных, в том числе крупных, деталей начали использовать цементуемую
сталь с более высоким (0,25 — 0,35%) содержанием углерода. Поэтому
оказалось возможным уменьшить глубину цементованного слоя, не опасаясь его
продавливания при больших нагрузках, предотвратить преждевременное
разрушение поверхностного слоя из-за пластической деформации слоев металла,
лежащих непосредственно под этим слоем, а также закаливать сердцевину с
более низкой температуры без перегрева цементованного слоя.
Положительное влияние повышения содержания углерода в цементованной
стали отмечалось и в ряде последующих работ. Показано, что увеличение
содержания в некоторых сталях углерода повышает предел их выносливости лишь
в случае одновременного некоторого снижения глубины цементованного слоя.
Для цементации широко используют низкоуглеродистую качественную сталь
(08, 10, 15 и 20) и автоматную сталь (А12, А15, А15Г, А20), а для
неответственных деталей низкоуглеродистую сталь обыкновенного или
повышенного качества (Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, М12, М16, Б09, Б16 и др.).
ответственные изделия изготавливают из легированной стали.
Основное назначение легирующих элементов в цементуемой стали —
повышение ее прокаливаемости и механических свойств сердцевины. Большинства
легирующих элементов понижает склонность зерна стали к росту при нагреве, а
некоторые из них улучшают механические свойства цементованного слоя.Цементация в разных средах.
o Цементация в твердом карбюризаторе.
o Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты
(далее т. в. ч.).
o Цементация в пастах.
o Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.
o Газовая цементация.
o Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.
o Цементация с нагревом т. в. ч.
o Ионная цементация.
o Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.
o Цементация в жидкой среде.
o Цементация в расплавленном чугуне.Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует
довольно много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она
используется довольно часто.Газовая цементация.
Возможность цементации стали в газовой среде была показана еще в
работе П. П. Аносова, выполненной в 1837 году. Однако только почти через
сто лет (в 1935 г.) этот процесс начали впервые внедрять в производство в
высокопроизводительных муфельных печах непрерывного действия на автозаводе
им. Лихачева. При этом в качестве газового карбюризатора была использована
среда, получаемая при пиролизе и крекинге керосина.
Для газовой цементации пока еще часто применяют шахтные муфельные печи
и печи непрерывного действия с длинными горизонтальными муфелями из
окалиностойкого сплава. Изредка применяют также печи с вращающимися
ретортами. В последние годы начали получать все большее распространение
безмуфельные печи непрерывного действия, нагреваемые излучающими трубками
из стали Х23Н18 или Х18Н25С2.
Детали загружают в печи в поддонах (в корзинах) или в различных
приспособлениях, на которых они располагаются на расстоянии 5 — 10 мм между
цементуемыми поверхностями; мелкие детали загружают навалом на этажерки,
помещаемые в корзины.
Для газовой цементации используют различные карбюризаторы — газы:
природный (92 — 97% СН4); природный разбавленный для городских нужд (60 —
90% СН4); светильный (20 — 35% СН4, 5 — 25% СО): нефтяной (50 — 60% СН4):
коксовый (20 — 25% СН4, 4 — 10% СО); сжиженные: пропан, бутан, пропано-
бутановая смесь.
Сложные углеводороды, которые входят в состав карбюризаторов или
образуются при из разложении в результате ряда промежуточных реакций,
распадаются в основном до метана. При крекинге углеводородов, который
производится для снижения их активности или получения эндогаза, образуется
также СО. Таким образом, химизм выделения атомарного углерода при газовой
цементации сводится к распаду метана и окиси углерода.
СН4 = С + 2Н2.
2СО = СО2 + С.
Метан является более активным карбюризатором чем окись. Для
науглероживания железа при 900-1000 0С в смеси СН4;-Н2 достаточно наличия
всего лишь нескольких процентов метана, тогда как для цементации в смеси СО-
СО2 необходима концентрация около 95-97% СО.Свойства цементованной стали.
Оптимальное содержание углерода в поверхностной зоне цементованного
слоя большинства сталей 0,8-0,9%C, при таком его количестве сталь обладает
высокой износостойкостью. Дальнейшее увеличение содержание углерода
уменьшает пределы выносливости и прочности стали при статических и
динамических испытаниях. Однако наиболее износостоек цементованный слой при
несколько повышенном содержании в нем углерода (по некоторым данным до 1,2%
С). при этом после термической обработки цементованный слой должен иметь
структуру мелкоигольчатого или скрытокристаллического мартенсита с мелкими
глобулями карбидов и небольшим количеством остаточного аустенита.
Цементация повышает предел выносливости стали. Объясняется это,
возникновением в слое остаточных сжимающих напряжений в связи с
неодинаковым изменением объема слоя и сердцевины стали в процессе
цементации и закалки. Наибольшее повышение предела выносливости достигается
при цементации на сравнительно небольшую глубину, когда цементованный слой
приобретает после закалки мартенситную структуру с минимальным количеством
остаточного аустенита, в результате чего в слое возникают максимальные
сжимающие напряжения.Азотирование.
Азотированием (азотизацией или нитрированием) стали называется процесс
поверхностного насыщения стали азотом.
Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ
и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют
следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость
и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном
легированные стали определенных составов и процесс имеет большую
продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически
целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей
авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.
Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном давлении и
температуре до 1500 0С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи
высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа
азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.
Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся
в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого
соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается
выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре
переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:
2NH3 = 2N + 6H
2N N2
6H 3H2.
Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда
диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой
поверхности.Стали для азотирования.
Все шире применяется азотирование аустенитных и нержавеющих
теплостойких сталей.
Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то
же время обладает рядом ценных свойств: парамагнитностью, высокой
жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой ударной
вязкостью при температуре ниже 0 0С.
Азотирование — наиболее эффективный способ повышения износостойкости
аустенитных нержавеющих сталей.
В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей,
содержащих титан. Эти стали азотируются быстрее, чем
хромомолибденоаллюминиевая, и отличаются более высокой поверхностной
твердостью и красностойкостью.
Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455 0С
в течение 20 ч приводит к превращению в поверхностном слое феррита в
аустенит, а последний, при охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.
Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент
из быстрорежущих сталей Р9 и Р18.
Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого
чугуна (в частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных
чугунов, легированных алюминием).Свойства азотированной легированной стали.
Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью.
Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости
закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и
нитроцементованных сталей.
Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет
влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и
существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и
деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.
Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла
под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.
Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее
твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь
38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до 500-520 0С в течение
нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против
воздействия температур (до 600 0С) имеет аустенитная сталь. Однако при
длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой
постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит
глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в
процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.
В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали
(в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных
растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей
хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних
сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих
сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего
в состав образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых составов,
например с малым содержанием никеля, это может сопровождаться даже
выпадением в азотированном слое ?-фазы, в результате чего поверхностный
слой становится слегка магнитным.
Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках
горячей воды и водяного пара.Цианирование.
Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом:
№1 NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na2CO3 25-50%, температура
цианирования 840-870 0С, продолжительность процесса — 1ч.
№2 цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl2 55%.
Реакции идущие в ванне №1:
2NaCN + O2 = 2NaCNO
2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 2N + CO.
реакции идущие в ванне №2:
Ca(CN)2 = CaCN2 + C
CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N
2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.
После цианирования непосредственно из ванны производится закалка.Структура нитроцементованного и цианированного слоя.
При цианировании при 850-900 0С в цианистых ваннах, содержащих
цианплав, и при глубоком цианировании при 900-950 0С в низкопроцентных
ваннах с цианистым натрием и хлористым барием сталь с поверхности
насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при цементации,
и лишь немного азотом. При цианировании в ванне №1 сталь насыщается
углеродом несколько меньше, чем при цементации, а азотом в поверхностной
зоне слоя больше, чем в других ваннах.Низкотемпературная нитроцементация и цианирование.
Низкотемпературной нитроцементации и цианированию при 560-700 0С
подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной
твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и
противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при 560-580 0С,
т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры
существования ?-фазы в системе Fe — N. Поэтому в процессе обработки при
такой температуре на стали образуется, по существу, азотированный слой, а
углерод проникает на глубину лишь нескольких микрон, где может
образовываться тонкая карбонитридная зона.Свойства нитроцементованной и цианированной стали.
Нитроцементованная и цианированная конструкционная сталь благодаря
присутствию азота более износостойка, чем цементованная.
Нитроцементация и цианирование существенно повышают предел
выносливости, причем нитроцементация в большей степени, чем цианирование, а
в ряде случаев в большей степени, чем цементация.
При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода
в слое. Поэтому в цианированном слое количество остаточного аустенита
всегда больше, чем в нитроцементованном.
В связи с этим сжимающие напряжения создаются в цианированном слое
лишь на некотором расстоянии от поверхности, что приводит к снижению
предела выносливости стали. Этим и объясняется меньшая долговечность
цианированных деталей по сравнению с нитроцементованными.
При цианировании необходимо производить наклеп деталей дробью,
создающий на поверхности (вследствие превращения остаточного аустенита в
мартенсит) высокие напряжения сжатия. Усталостные испытания зубьев
цианированных зубчатых колес на изгиб с циклической нагрузкой показали, что
наклеп дробью повышает предел выносливости с 43 до 72 кГ/мм2.
Испытания на стенде показали, что после наклепа дробью стойкость (до
разрушения) цианированных зубчатых колес увеличилась с 9 до 140 ч.
Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая на поверхности тонкий
нетравящийся карбонитридный слой (что бывает не всегда), корродирует
медленнее нецианированной стали. Например, в 3%-ном растворе поваренной
соли стойкость такой стали против коррозии в 2 раза выше, чем
нецианированной. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей после
нитроцементации и цианирования снижается.Использованная литература:
А. Н. Минкевич.
«Химико-термическая обработка металлов и сплавов»
Издательство «Машиностроение»
Москва, 1965 г.
