Каким видам термической обработки подвергают ответственные цементованные детали

Обновлено: 15.05.2024

Цементация - это процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают следующие виды цементации: твердую, газовую цементации, цементацию пастами, жидкостную цементацию. Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8–1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают износостойкость и предел выносливости.

Для цементации обычно используют стали с содержанием углерода 0,1–0,3% различного легирования. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки сталей.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики и засыпают карбюризатором, чаще древесным углем. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют катализаторы процесса: углекислый барий (ВаСО₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₃) в количестве 10–40 % от массы угля.

Газовая цементация

Для газовой цементации (впервые была осуществлена Аносовым П.Д. на Златоустовском заводе) в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т. д.) или контролируемые атмосферы с определенным углеродным потенциалом. При нагреве образуется атомарный углерод:

Режимы цементации

Повторную закалку проводят с нагревом до 850–900 °С (выше точки А3), чтобы произошла полная перекристаллизация стали. В углеродистой стали, из-за малой глубины прокаливаемости, сердцевина изделия после 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.При газовой цементации достаточно часто применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840–870 °С, но чаще температура подстуживания зависит от конкретной марки стали. Такая схема снижает общее время процесса цементации, но не исправляет дефекты структуры, полученные при высокотемпературной цементации. Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160–180 ºС и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Преимущества газовой цементации перед цементацией в твердом карбюризаторе

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

- повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;

- сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы;

- сокращается потребность в жаростойком материале;

- появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;

- уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;

- улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

- появляется возможность закалки деталей непосредственно после цементации;

- позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс.

Недостатки процесса газовой цементации:

- необходимость в более сложном и дорогом оборудовании;

- потребность в более квалифицированной рабочей силе;

- сложность эксплуатации оборудования вследствие необходимости обеспечения герметичности печи, равномерной циркуляции газов и др.;

- сложные требования по технике безопасности.

Жидкостная цементация

Жидкостная цементация производится в расплавленных солях, обычно в солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 - 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 - 0,5 мм. Основное достоинство процесса - возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий. В условиях индивидуального и мелкосерийного производства некоторое применение нашла цементация из паст. В этом случае на обрабатывавшуюся поверхность наносится обмазка, содержащая сажу (33 - 70 %), древесную пыль (20 - 60 % ), желтую кровяную соль (5 - 20 %) и другие компоненты. В качестве связующих материалов используют органические, органоминеральные и неорганические клеи. Толщина обмазки должна быть в 6 - 8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя.

В настоящее время наиболее перспективным методом цементации является цементация в эндотермической атмосфере с контролируемым углеродным потенциалом. При газовой цементации в эндотермической атмосфере, в начале процесса (в активный период насыщения) поддерживают высокий углеродный потенциал атмосферы за счет добавки к эндотермической атмосфере необработанного углеводородного газа (метана или пропана-бутана). В диффузионный период углеродный потенциал атмосферы устанавливается 0,8 - 1,0 % и количество добавляемого углеводородного газа резко уменьшается.

Вакуумная цементация

Все выше перечисленные способы цементации имеют один большой недостаток — длительное время процесса. Значительное ускорение процесса может быть достигнуто в результате использования высокотемпературной цементации при давлении ниже атмосферного, при вакуумной цементации. (По ссылке дополнительная информация по вакуумной цементации). Процесс вакуумной цементации имеет ряд преимуществ перед традиционными методами цементации.

- возможность эффективного регулирования профиля распределения углерода в цементованном слое и его микроструктуры;

- отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере, что исключает внутреннее окисление деталей;

- лучшее проникновение газа-карбюризатора в отверстия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей;

- высокая повторяемость результатов процессов, проходящих в одинаковых условиях;

- получение светлой поверхности деталей после цементации;

- отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля угле родного потенциала;

- уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа;

- большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут);

- сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре и изменения потенциала атмосферы;

- повышение культуры производства и улучшение условий труда.

Первая информация о процессе вакуумной цементации относится к началу 70-х годов, когда специалисты фирмы "Хейес" (США) впервые осуществили вакуумную цементацию в модернизированных печах типа VCQ.

При вакуумной цементации, загрузку деталей производят в холодную камеру, далее пуск печи, и дальнейшее управление всеми технологическими параметрами (температура, расход газа, давление, длительности периодов цементации и диффузии) производится с помощью программы, введенной в управляющий компьютер. Сначала печь вакуумируется, затем следует ступенчатый нагрев до температуры цементации. Затем садка с деталями выдерживается при постоянной температуре для выравнивания температуры внутри садки и удаления загрязнений с поверхности стали, препятствующих проникновению углерода. Продолжительность выдержки при температуре составляет от 20 до 60 мин. (в зависимости от поперечного сечения деталей). Далее происходит подача в камеру реакционного газа, в качестве которого применяют такие углеводороды как метан, пропан, бутан или ацетилен. Давление и расход газа зависят от типа газа, объема камеры и площади поверхности деталей. Давление газа может находиться в интервале 4 - 400 мбар, а расход в интервале 500 -5000 нл/ч. При этом стараются как можно больше обогатить поверхностную зону углеродом, чтобы концентрация углерода в этой зоне достигла более высоких значений, чем задаваемые значения для окончательно обработанной детали. За стадией науглероживания следует диффузионная стадия процесса. Для того, чтобы избежать дальнейшего науглероживания во время диффузионной стадии, по окончании стадии науглероживания печь снова вакуумируют. Далее закачивают в печь немного азота (до установления давления в печи 2 мбара) с целью уменьшения эффекта сублимации (выветривания, улетучивания) в вакууме углерода и легирующих элементов с поверхности деталей при прохождении стадии диффузии. Стадии науглероживания и диффузии чередуют до тех пор, пока не будут получены требуемые глубина цементованного слоя и концентрационный профиль углерода. Оптимальный технологический процесс вакуумной цементации состоит из трех стадий науглероживания и трех стадий диффузии. На следующем этапе, осуществляется охлаждение печи и садки с деталями до цеховой температуры и в зависимости от конструкции печи это может происходить как в самой камере с использованием инертного газа (азот, аргон или гелий) при разных давлениях, так и в масле закалочного бака. После достижения печью цеховой температуры компьютерное управление отключается и с помощью погрузчика садку выгружают.

Некоторые особенности технологии - вместо заключения

Иногда при цементации необходимо защитить некоторые поверхности. Для этого применяют 3 основных способа: защита допусками, меднение поверхности, защита пастами.

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 (0,08–0,3 %) обеспечивает высокую вязкость сердцевины за счет неполной прокаливаемости. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60–64 HRC, а для легированной – 58–61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Термическая обработка углеродистой стали после цементации часто сводится к двойной закалке и отпуску. Изделие после цементации условно рассматривается как двухслойное: наружный слой представляет собой эвтектоидную или заэвтектоидную сталь и требует неполной закалки (Ас₁ + 30-50 °С), т. е. 750-780 °С; сердцевина изделия представляет собой доэвтектоидную сталь, содержащую 0,1-0,25 %С и требует для измельчения зерна нагрева до температур, лежащих выше точки Ас₃, т. е. 880-900 °С.

Таким образом, первую закалку осуществляют с температуры 880-900 °С для исправления крупнозернистой структуры после нагрева в процессе цементации.

Вторая закалка проводится с нагревом до 750-780 °С для устранения перегрева и придания высокой твердости цементованному слою.

Заключительной операцией термообработки служит низкий отпуск при 150-180 °С.

При обработке легированных сталей широко применяют одинарную закалку с 820-850 °С, но в структуре цементованного слоя легированных сталей сохраняется большое количество остаточного аустенита, резко снижающего твердость.

Рис. 3. Термическая обработка стали после цементации

Чтобы перевести остаточный аустенит в мартенсит и тем самым увеличить твердость, цементованные легированные стали подвергают обработке холодом с последующим низким отпуском.

Нормальная твердость поверхностной части цементованного слоя находится в пределах 59-63 HRC.

Одновременно с увеличением твердости и износостойкости цементация с последующей закалкой и отпуском значительно повышает сопротивление стали к переменным нагрузкам за счет образования в цементованном слое сжимающих остаточных напряжений.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. Так как азотированный слой сам по себе (без какой-либо последующей термической обработки) приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, то в отличие от процессов цементации азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точных размеров.

Азотирование обычно проводят при 500-600 °С. Детали, подвергаемые азотированию, помещают в герметическую емкость, вставленную в печь. В эту емкость из баллона подают с определенной скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции:

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл. Упрочнение при азотировании обусловлено насыщением азотом α и γ фаз железа и образованием новых фаз внедрения γ’-нитрид Fe₄N и ε-нитрид Fe₃N. Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения – нитриды (CrN, Cr₂N, MnN, MoN, TiN, AlN и т. д.).

Коэффициент диффузии азота в α-железе можно определить по формуле

Азотирование применяют для повышения твердости и износостойкости, усталостной прочности и сопротивления коррозии. С целью получения высокой твердости и износостойкости азотированию подвергают специальные стали (нитраллои), содержащие элементы, дающие нитриды высокой термической устойчивости (CrN, MoN, AlN). Наиболее распространенными марками стали, предназначенными для азотирования, являются стали 35ХМЮА и 38ХМЮА. Наличие повышенного содержания углерода приводит к образованию на поверхности карбонитридных фаз типа Fe₃(C,N) или Fe₃(N,C). Так как в данном случае в задачу азотирования входит получение высокой твердости, то обычно температуру азотирования держат на уровне 500-520 °С (продолжительность зависит от требуемой глубины слоя).

При этих температурах не происходит укрупнение образовавшихся карбонитридных фаз.

Для азотирования характерны исключительно высокая поверхностная твердость и неглубокий диффузионный слой в отличие от цементации, где при относительно небольшой продолжительности процесса достигается более значительная глубина диффузионного слоя при значительно меньшей твердости. Преимущество азотированного слоя – в получении более твердых и износостойких поверхностных слоев. Но азотированные детали значительно дороже, так как этот процесс более длительный и для азотирования применяют дорогие легированные стали, кроме того, тонкий азотированный слой, в отличие от цементированного, может выдержать меньшие удельные нагрузки. Для совмещения достоинств цементации и азотирования на практике чаще применяют процесс одновременного насыщения деталей углеродом и азотом, именуемый нитроцементацией.

Нитроцементация. Цианирование стали

Под нитроцементацией понимают процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом. Насыщение стали из цианистых солей именуют цианированием. Особые свойства стали, поверхностный слой которой насыщен одновременно азотом и углеродом, обусловили широкое внедрение этого процесса в промышленность.

Цианирование можно проводить в твердых и жидких средах. Поэтому различают твердое, жидкое цианирование.

Твердое цианирование осуществляют аналогично твердой цементации; только карбюризатор содержит цианистые соли. Процесс производительности значительно менее эффективен, чем жидкое цианирование и применяется редко.

Жидкое цианирование проводят в расплавленных цианистых солях. Химизм образования активных атомов углерода и азота состоит в разложении цианистых солей с образованием свободных атомов углерода и азота и диффузии их вглубь металла.

Нитроцементацию осуществляют в смеси науглероживающих и азотирующих газов (например, смеси аммиака и метана).

Результаты нитроцементации определяются глубиной слоя и концентрацией в нем углерода и азота. На состав и свойства насыщенного слоя оказывает особое влияние температура насыщения. Повышение ее увеличивает содержание углерода в слое, снижение увеличивает содержание азота. Поэтому нитроцементацию разделяют на высокотемпературную при 800-950 °С и низкотемпературную при 500-600 °С.

Высокотемпературные процессы газовой нитроцементации

в атмосфере смеси эндогаз, природный газ и аммиак

В настоящее время на всех автомобильных заводах страны и Европы нитроцементация является приоритетным видом химико-термической обработки деталей.

Процесс нитроцементации заключается в нагреве стали в газовой среде, состоящей из азота и углеводородосодержащих газов до 820-880 °С, выдержке в течение времени, необходимого для получения диффузионного слоя заданной глубины и охлаждения со скоростью, обеспечивающей необходимые свойства поверхностного слоя и сердцевины.

Активные атомы углерода, обеспечивающие адсорбцию и диффузию, образуются из эндогаза и добавок природного газа по реакциям:

атомы азота по реакции:

Атомарный азот и углерод адсорбируются на поверхности детали и диффундируют вглубь металла по позициям внедрения в кристаллической решетке железа. Одновременно с выделением активных атомов углерода и азота в газовой реакционной зоне выделяется значительное количество водорода и двуокиси углерода.

Для процесса нитроцементации применяются те же печи и автоматические линии, что и для цементации. Нитроцементация перед цементацией имеет ряд преимуществ:

1. Значительное повышение износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости.

2. Снижение себестоимости за счет получения равнозначной прочности при меньших глубинах, лучшей прирабатываемости нешлифуемых деталей.

3. Снижение температуры процесса на 100 °С.

4. Снижение критической скорости закалки.

Содержание отчета

Каждый из студентов получает фото или шлиф поверхностного слоя детали, подвергнутой химико-термической обработке.

Студент представляет письменный отчет о работе, в который должно быть включено:

1. Определение используемого вида химико-термической обработки.

2. Оценка толщины диффузного слоя.

3. Краткое описание назначения данного вида химико-термической обработки, его достоинств, недостатков и технологии проведения.

4. По толщине диффузного слоя рассчитать время проведения химико-термической обработки.

5. Режимы термической обработки после данной химико-термической обработки. Если она проводится, то представить режимы в виде графика.

6. Зарисовать структуру поверхностного слоя стали после химико-термической обработки.

5. Контрольные вопросы

1. Какие основные процессы происходят при химико-термической обработке?

2. Что такое цементация, азотирование и нитроцементация и какую цель преследуют эти виды ХТО?

3. Какие виды цементации, азотирования и нитроцементации применяют в промышленности, их преимущества и недостатки?

4. При какой температуре проводят цементацию, азотирование стали?

5. Какую структуру имеет поверхностный слой после цементации?

6. По какой формуле определяют коэффициент диффузии углерода в стали?

7. По какой формуле определяют толщину диффузионного слоя?

8. Как определяют толщину цементованного слоя?

9. Какую термическую обработку проводят после цементации и с какой целью?

Библиографический список

1. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с.

2. Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.

3. Лахтин Ю. М. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.

4. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

5. Арзамасов Б. И., Сидорин И. И., Косолапов Г. Ф. и др. Материаловедение / Под ред. Б. Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 324 с.

Цель работы: ознакомиться с технологией цементации изделий и режимом их термической обработки, изучить микроструктуру цементованного слоя, определить его глубину.

Приборы: металлографический микроскоп, набор микрошлифов цементованных сталей после медленного охлаждения и термически обработанных.

Цементация - это один из способов химико-термической обработки стали, заключающийся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. Процесс цементации известен с давних пор. До середины прошлого века сталь умели получать методом сквозной цементации железа.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость, износостойкость, повысить предел выносливости при сохранении вязкой и пластичной сердцевины.

При цементации происходит, поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего образуется высокоуглеродистый поверхностный слой.

Проникновение углерода в сталь возможно только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии. Атомарный углерод абсорбируется поверхностью стали, и диффундирует в глубь металла.

Поэтому цементация, как и любая ХТО, включает три последовательные стадии:

1. Диссоциация- распад молекул с образованием активных атомов насыщающего элемента. Процесс идет в газовой среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла.

2. Абсорбция - поглощение поверхностью металла свободных атомов и растворение их в металле. Процесс происходит на границе, газ-металл и возможен при условии возможности растворения диффундирующего элемента в основном металл.

3. Диффузия- проникновение насыщающего элемента вглубь металла. Процесс происходит при достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

В результате диффузии на поверхности металла образуется максимальная концентрация дифузирующего элемента, которая понижается по мере удаления от поверхности (рис 1).

Глубина диффузионного слоя, характеризуется величиной "у", которая прямо пропорционально зависит от температуры и времени процесса, концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Для цементации применяются низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углероде 0,1-0,3 % Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Детали на цементацию поступают после механической обработки с припуском (60-I00 мкм) на шлифование.

Цементация проводится при температуре выше точки АС₃(900-950 0 С), когда сталь находится в состоянии g- фазы (аустенита) и способна растворять в себе до 2% углерода.

Различают два основных вида цементации - в твердой и, в газовой средах.

Твердая цементация обычно проводится в карбюризаторе, состоящем из смеси древесного угля с 10-40% активизирующих процесс углеродистых солей- BaCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃.

Детали, подлежащие цементации, помещаются в стальные ящики засыпаются карбюризатором и помещаются и печь. Кислород воздуха в ящике взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. В присутствии железа она диссоциирует по уравнению.

Атомарный углерод диффундирует в решетку g - железа и насыщает его до предела, определяемого линией: SE диаграммы железо-цементит.

После цементизации ящики охлаждают на воздухе до 400-500 0 С и раскрывает. Процесс твердой цементации весьма продолжительный и может длиться до десяти и более часов, где много времени затрачивается на прогрев ящиков.

Основным способом цементации в массовом производстве на сегодняшний день, значительно сокращающим длительность процесса, является цементация в газовых средах. Здесь цементация осуществляется в шахтных печах периодического действия, либо в без муфельных печах непрерывного действия. В качестве карбюризатора используется природный газ, состоящий в основном из метана (СН₄), жидкие углеводороды (бензол, синтин, керосин и др.), подающиеся в виде капель в реторту печи и испаряющиеся с образованием атомарного углерода.

Процесс идет при температуре 900-950 0 С с основными реакциями:

2СО ® СО₂ + С атомарный

Глубина науглероживания при цементации составляет 0,5-2 мм при скорости О,I2 - 0,I5 мм/час. Процесс цементации изменяет структуру стали в поверхностном слое. При оптимальном режиме цементации после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: (рис 2)

на поверхности заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита; звтектоидную, состоящую из однородного пластинчатого перлита и доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита. По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита уменьшается, а феррита увеличивается.

За глубину цементованного слоя принимается сумма заэвтектоидной, эвтоктоидной и половины доээтектоидной зон (до содержания 0,4-0,5 % С).

Независимо от способа цементации концентрация углерода в поверхностном слое не должна превышать 1,1-1,2 %. Более высокое содержание ведет к повышению хрупкости стали.

Задача цементации - получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине не решаются одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованно детали последующая закалка, после которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а сердцевина сохраняет нужную твердость и высокую вязкость. После закалки для снятия внутренних напряжений цементованные детали подвергают низкому отпуску при температурах 150-200 0 С.

При назначении режима термической обработки цементованных деталей необходимо учитывать следующие обстоятельства:

l. Длительный нагрев при цементации вызывает рост аустенитного зерна.

В зависимости от требований, которые предъявляются к цементованным деталям, применяются различные варианты термической обработки (рис 3).

1. Закалка с цементационного нагрева (900-950 0 С). Это наиболее простой способ, применяется после газовой цементации для деталей, от которых требуется только поверхностная твердость. Другие механические свойства здесь невысоки, т.к. при таком режиме не устраняется крупнозернистое строение, полученное в результате длительной выдержки при цементации. На поверхности образуется структура крупно игольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита из-за закалки с высоких температур, что ведет к снижению твердости. В сердцевине структура крупнозернистых феррита и цементита.

Однако закалка с цементационного нагрева обеспечивает меньшую деформацию деталей и значительно дешевле по сравнению с другими режимами.

Недостатки этого способа в значительной степени можно уменьшить, если применять:

1) наследственно мелкозернистые стали;

2) подстуживание после цементации до 750-800 0 С; это не снижает количество А ост., но уменьшает внутренние напряжения:

3) обработку холодом, которая обеспечивает дополнительное превращение А ост. и повышение твердости поверхностного слоя.

П. При повышенных требованиях к структуре и свойствам деталей они охлаждаются после цементации на воздухе, а потом подвергается закалке с температуры 650-900 0 С, которая выше верхней критической точки (АС3) для сердцевины и поверхности. В результате в сердцевине происходит полная перекристаллизация и зерно измельчается. В поверхностном слое растворяется цементитная сетка, если она образовалась при цементации и образуется структура крупно игольчатого мартенсита, т.к. такой нагрев является перегревом для эазвтектоидной стали (оптимальной температурой нагрева заэвтектоидной стали под закалку является А_С1+(30+50 0 С).

Конечной операцией является низкий отпуск при температуре 150-170 0 С.

III. При особенно высоких требованиях к цементованным деталям применяется двойная закалка с низким отпуском. Первая закалка проводится с температур выше критической точки АС₃ сердцевины. Цель ее - уменьшить структуру сердцевины и растворить цементитную сетку, в поверхностном слое.

Вторая закалка проводится с температур, оптимальных для поверхностного слоя (на 30-50 0 С выше А_С1). Цель ее - устранить перегрев на поверхности, полученный при первой закалке и обеспечить структуру мелко игольчатого мартенсита с вкрапленным избыточным цементитом. В сердцевине также обеспечивается мелкозернистая структура.

Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости изделий из-за образования в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия (400-500 МПа) и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Износостойкость и контактная прочность цементованных сталей высока и достигает 2000 МПа.

Раздел: Промышленность, производство
Количество знаков с пробелами: 8980
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 3

Технология изготовления паст проста. Исходные материалы тщательно просеивают и взвешивают в нужном соотношении. Затем их ссыпают в мешалку и тщательно перемешивают. Жидкие составляющие (масло, мазут) вводят при непрерывном перемешивании. Готовая паста должна быть в виде однородной массы сметанообразной консистенции. Чем больший нужен цементованный слой, тем толще требуется слой пасты на детали. Для этого пасту необходимо изготовлять более густой. Приближенно можно считать, что толщина слоя пасты должна быть в 6—8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Паста сравнительно жидкой консистенции наносится на детали путем окунания; более густая — с помощью жесткой кисти.

Детали аккуратно, с тем чтобы не повредить слоя пасты, укладывают одну на другую в ящик и закрывают его крышкой. Ящики загружают в печь, нагретую до рабочей температуры 930—950°С. Для сокращения длительности процесса ее можно повысить до 1000—1050°С.

Высокая производительность — главное преимущество процесса цементации пастами. Основной недостаток — неравномерность цементованного слоя по глубине и насыщенности углеродом.

По окончании выдержки детали охлаждают в ящиках на воздухе. Можно также осуществить подстуживание до закалочной температуры и затем провести закалку непосредственно с цементационного нагрева.

Термическая обработка цементованных деталей

Полученный в результате цементации и последующего медленного охлаждения наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит.

Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой с феррито - перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость. Эти обстоятельства необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки.

Целью термообработки цементованной стали является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины.

В зависимости от назначения детали применяет различные варианты термической обработки.

Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рисунок 9(а)).

Режим термической обработки после цементации стали

Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей, применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Использование подстуживания при закалке до 750 - 800°С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

При более высоких требованиях к структуре детали после цементации: ее подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с нагревом выше Ас3 и низкому отпуску (рисунок 9б).

При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна.

Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев выше Ac1, но ниже Асm.

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рисунок 9в).

При первой закалке с температуры на 30 - 50°С выше Асз происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелко-зернистость продуктов распада.

Одновременно при этом цементитная сетка в цементованном слое растворяется. При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя.

Кроме того при второй закалке с температуры выше Ac1 на 30 - 50°С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое. После такой термообработки поверхностный зазвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали.

При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.

На рис. 10(5) показана структура стали, содержащей в исходной состоянии 0,15 %С, после цементации без дополнительной термической обработки (охлаждение после цементации было медленным). Микроструктура поверхностного цементованного слоя состоит из перлита и сетки цементита.

По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита непрерывно уменьшается и ближе к центру образца - исходная структура стали, состоящая из феррита и незначительного количества перлита.

На рас. 10(6) и 10(7) показана структура цементованной стали после окончательной термической обработки, то есть нормализации при 900°С, закалки от 770°С и отпуска при 150°С. Структура поверхностного сдоя -мартенсит отпуска (рисунок б).

Структура сердцевины - мартенсит и феррит (рис. 7). Образец закалился насквозь, но так как закалка была произведена от 770°С, то для сердцевины это будет неполной закалкой и в структуре наряду с мартенситом встречается феррит (светлые зерна). После цементации и термической обработки твердость поверхностных слоев составляет (НRC58 – 63).

Цианирование и нитроцементация.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом.

Осуществляется в ваннах с расплавленными цианистыми солями, например NaCN с добавками солей NаCl, BaCl и др. При окислении цианистого натрия образуется атомарный азот и окись углерода:

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Цианированный слой обладает высокой твердостью 58…62 HRC и хорошо сопротивляется износу. Повышаются усталостная прочность и коррозионная стойкость.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Высокотемпературное цианирование – проводится при температуре 800…950oС, сопровождается преимущественным насыщением стали углеродом до 0,6…1,2 %, (жидкостная цементация). Содержание азота в цианированном слое 0,2…0,6 %, толщина слоя 0,15…2 мм. После цианирования изделия подвергаются закалке и низкому отпуску. Окончательная структура цианированного слоя состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2(C, N), а затем азотистый мартенсит.

По сравнению с цементацией высокотемпературное цианирование происходит с большей скоростью, приводит к меньшей деформации деталей, обеспечивает большую твердость и сопротивление износу.

Низкотемпературное цианирование – проводится при температуре 540…600oС, сопровождается преимущественным насыщением стали азотом

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация – газовое цианирование, осуществляется в газовых смесях из цементующего газа и диссоциированного аммиака.

Состав газа температура процесса определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры и продолжительности выдержки.

Высокотемпературная нитроцементация проводится при температуре 830…950oС, для машиностроительных деталей из углеродистых и малолегированных сталей при повышенном содержании аммиака. Завершающей термической обработкой является закалка с низким отпуском. Твердость достигает 56…62 HRC.

Низкотемпературной нитроцементации подвергают инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (закалки и отпуска). Процесс проводят при температуре 530…570oС, в течение 1,5…3 часов. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02…0,004 мм с твердостью 900…1200 HV.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Диффузионная металлизвция

Диффузионная металлизация – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

При насыщении хромом процесс называют хромированием, алюминием – алитированием, кремнием – силицированием, бором – борированием.

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

При твердой диффузионной металлизации металлизатором является ферросплав с добавлением хлористого аммония (NH4Cl). В результате реакции металлизатора с HCl или CL2 образуется соединение хлора с металлом (AlCl3, CrCl2, SiCl4), которые при контакте с поверхностью диссоциируют с образованием свободных атомов.

Жидкая диффузионная металлизация проводится погружением детали в расплавленный металл (например, алюминий).

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Диффузия металлов протекает очень медленно, так как образуются растворы замещения, поэтому при одинаковых температурах диффузионные слои в десятки и сотни раз тоньше, чем при цементации.

Диффузионная металлизация – процесс дорогостоящий, осуществляется при высоких температурах (1000…1200oС) в течение длительного времени.

Одним из основных свойств металлизированных поверхностей является жаростойкость, поэтому жаростойкие детали для рабочих температур 1000…1200oС изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием или силицированием.

Исключительно высокой твердостью (2000 HV) и высоким сопротивлением износу из-за образования боридов железа (FeB, FeB2) характеризуются борированные слои, но эти слои очень хрупкие.

Ценемнацию пастами можно разделить на четыре основные группы, в которые входят составляющие (% - по массе) :

Газовая сажа (28%), кальцинированная сода (3,5%), железосинеродистый калий (1,5%) , веретенное масло (отработанное) (67%).

Голландская сажа (30%) , кальцинированная сода (10%) , декстрин (20%) , моторное масло (отработанное) (40%).

Ацетиленовая сажа (30%), кальцинированная сода (20%) , декстрин (10%), мазут (40%).

Древесноугольная пыль (75%) , кальцинированная сода (5%) , железосинеродистый калий (10%) , декстрин (10%).

Основные виды термической обработки после цементации:

Цианирование и нитроцементация.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Диффузионная металлизвция – химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных изделий насыщается различными элементами: алюминием, хромом, кремнием, бором и др.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Термическая обработка цементованных деталей

В зависимости от назначения детали применяет различные варианты термической обработки.

Режим термической обработки после цементации стали

При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна.

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рисунок 9в).

Цианирование и нитроцементация.

Глубина слоя и концентрация в нем углерода и азота зависят от температуры процесса и его продолжительности.

Продолжительности процесса 0,5…2 часа.

Проводится для инструментов из быстрорежущих, высокохромистых сталей, Является окончательной обработкой.

Основным недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей.

Нитроцементация характеризуется безопасностью в работе, низкой стоимостью.

Диффузионная металлизвция

Диффузионную металлизацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных средах.

Газовая диффузионная металлизация проводится в газовых средах, являющихся хлоридами различных металлов.

Ценемнацию пастами можно разделить на четыре основные группы, в которые входят составляющие (% - по массе) :

Голландская сажа (30%) , кальцинированная сода (10%) , декстрин (20%) , моторное масло (отработанное) (40%).

Ацетиленовая сажа (30%), кальцинированная сода (20%) , декстрин (10%), мазут (40%).

Древесноугольная пыль (75%) , кальцинированная сода (5%) , железосинеродистый калий (10%) , декстрин (10%).

Основные виды термической обработки после цементации:

Цианирование и нитроцементация.

Цианирование – химико-термическая обработка, при которой поверхностьнасыщается одновременно углеродом и азотом.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Читайте также: