9.2.Цементация сталей. Цементация стали 3

9.2.Цементация сталей.

Насыщение поверхности стали углеродом называется цементацией. Целью цементации является получение твердой, износостойкой поверхности за счет обогащения поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8-1,0 % С и последующей закалки и низкого отпуска. Различают два основных вида цементации: в твердых и газовых средах. Детали после механической обработки поступают на цементацию с припуском на шлифование 0.05-0.10мм. Если отдельные участки детали не подлежат упрочнению, то их защищают от цементации тонким слоем меди 0,02- 0,04мм или специальными обмазками (огнеупорная глина, асбест, песок, замешанные на жидком стекле и др.).

В результате цементации в поверхностном слое стали образуются железоуглеродистые фазы, соответствующие диаграмме состояния Fe - Fез С .

Атомарный углерод, адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла. Цементацию проводят при t > Аз (900-950°С), в аустенитном состоянии, когда скорость диффузии и растворимость углерода в γ-фазе железе достаточно велика. При температуре цементации структура поверхности состоит из углеродистого аустенита при медленном охлаждении происходит фазовое превращение и структура поверхностного слоя при t = 20°С состоит из 3-х зон: заэвтектоидной (П+ Ц2), эвтектоидной ( П ) и доэвтектоидной (Ф + П) . За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной (переходной) зон. Оптимальные характеристики прочности цементованной стали получают при насыщении поверхности углеродом до 0,75-1,1% С.

Цементации подвергают в основном низкоуглеродистые стали 0,1-0,30% С, которые в сердцевине изделия, не подвергающиеся цементации, сохраняют высокую вязкость после закалки (08 КП, 12ХНЗА, 18ХГТ, 20Х, 20ХНМА и др.). Чем выше концентрация углерода, тем быстрее идет процесс цементации (с увеличением концентрации углерода в γ фазе растет коэффициент диффузии углерода в аустените ). Легирующие элементы, находящиеся в стали, изменяют растворимость углерода в аустените и влияют на коэффициент диффузии углерода при температуре цементации. Карбидообразующие элементы Cr,W, Мn и др. Понижают коэффициент диффузии углерода в аустените, но увеличивают концентрацию углерода на поверхности, несколько увеличивают толщину цементованного слоя. Никель, медь и другие карбидообразующие элементы увеличивают коэффициент диффузии углерода в аустените, но уменьшают концентрацию углерода на поверхности и поэтому уменьшают толщину слоя.

Цементация в твердом карбюризаторе. Насыщающей средой является твердый карбюризатор (древесный уголь в зернах и 20-40% активизаторы: углекислый барий ВаСОз и кальцированная вода Na2СОз ). Детали помещают в ящики с твердым карбюризатором, ящики закрывают крышками, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной. После этого ящики загружают в печь. При температуре цементации кислород воздуха взаимодействует с древесным углеродистым углем, образуя оксид углерода: Суг + 02 = 2СО . В присутствии железа окись углерода диссоцирует по уравнению 2СО —> CO2 + С атомарный

Атомарный активный углерод диффундирует в аустенит ,С02 снова взаимодействует с древесным углем . ВаСОз и Na2СОз вводятся для ускорения процесса цементации, т.к. эти соли активизируют карбюризатор, обогащая атмосферу окисью углерода:

ВаСОз + С уг→ВаО + 2СО

2СО → С02+ С атомарный.

Основной недостаток цементации в твердом карбюризаторе: большая длительность процесса, которая объясняется малой скоростью прогрева ящика с деталями.

Газовая цементация осуществляется в среде углеродосодержащих газов СО, СН4, С3Н3 и др. Используются природные газы и газы, полученные при газификации керосина, бензина, синтина и др. Основной процесс получения атомарного углерода-диссоциации окиси углерода и метана:

СН4 →2Н2 +С атом.;

2СО → С02 + С атом.

Цементирующий газ, приготовленный в газогенераторах, поступает в цементационную реторту с загруженными в нее деталями. Газовую цементацию часто проводят в безмуфельных и муфельных печах. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюраторе:

1) сокращается длительность процесса, т.к. нет необходимости в прогреве ящиков с карбюризатором;

2) значительно упрощается последующая термическая обработка, т.к. можно производить закалку непосредственно из печи;

3) обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов. Газовая цементация широко применяется при массовом производстве. Для ускорения процесса цементации повышают температуру до 1000-1050° С для наследственно-мелкозернистых сталей. Однако цементация является промежуточной операцией, которая приводит к обогащению поверхностного слоя углеродом. Вследствие высокой температуры цементации и значительной длительности этого процесса в стали вырастает большое аустенитное зерно, которое приводит к получению крупнозернистой структуры и снижению ударной вязкости сердцевины деталей. Для устранения перегрева стали и получения высокой твердости и прочности цементованного слоя необходима последующая термическая обработка. В зависимости от условий работы детали и выбранной марки стали режим термической обработки может быть различен.

Для тяжело нагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, когда от детали требуется не только высокая твердость поверхности, но и высокая прочность и высокая ударная вязкость,применяют двойную закалку: одна для улучшения структуры сердцевины из малоуглеродистой стали; другая -для получения свойств цементованного, вьгсокоуглеродистого слоя (рис.9.3,а).

Нагрев до t1 > Асз вызывает перекристаллизацию малоуглеродистой стали в сердцевине детали и приводит к измельчению зерна, в поверхностном же слое в аустените растворяется избыточный цементит, а последующее ускоренное охлаждение предотвращает повторное его выделение.

Вторая закалка проводится с t2 = Ac1 +(30-50°С). Мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается при нагреве, образуются глобулярные карбиды, которые в определенном количестве сохраняются после неполной второй закалки в поверхностном слое. В результате поверхность приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита с включениями глобулярных карбидов и небольшого количества аустенита остаточного. Структура сердцевины детали мелкозернистая и зависит от степени легирования стали. Окончательная операция термической обработки низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения. В результате двойной закалки получают оптимальные свойства сердцевины и поверхности. Недостатки такой термической обработки: сложность и дороговизна технологического процесса, повышенное коробление при многократной закалке, возможности окисления и обезуглероживания. Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают одной закалке и низкому отпуску (рис.9.3,6).

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственных мелкозернистых сталей применяют закалку с t = Ac1 + (30- 50оС)(рис. 9.3,а). После газовой цементации часто закалку проводят непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до t 1= Ac1 + (30-50°С) . Подстуживание уменьшает количество аустенита остаточного в структуре закаленного слоя, уменьшает деформацию. Зерно сердцевины при такой обработке не измельчается, поэтому ее применяют для наследственно мелкозернистой стали.

Цементация и последующая термическая обработка повышает предел выносливости стальных деталей вследствие образования в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия. Дополнительно предел выносливости может быть повышен дробеструйным наклепом. Дробеструйный наклон ускоряет превращение остаточного аустенита в мартенсит, растут сжимающие напряжения на поверхности и, как следствие, повышает предел выносливости.

Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газовую. 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 предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1 – 0,18 %. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2 – 0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, засыпают 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 активизаторы: углекислый барий (ВаСО3) и кальцинированную соду (Na2CO3) в количестве 10 – 40 % от массы угля.

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т.д.) или контролируемые атмосферы. При нагреве образуется атомарный углерод:

2CO  CO2 + Cатом

или

Ch5  2h3 + Cатом ; Cатом  Fe (аустенит).

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве.

Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5-2,00 мм.

Цементацию проводят при 910 – 930 , или для ускорения процесса при 1000-1050. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0 – 1,3 мм получают при 920 за 15 ч., а при 1000 – за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8—1,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка Fe3С при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур, типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (рис. 6).

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

Рис. 6. Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная; 2 – эвтектоидная; 3 – доэвтектоидная зоны

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали

Первую закалку проводят с нагревом до 850—900°С (выше точки Аз сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой 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.

После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 700—780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840—860 °С. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 0С и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

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—0,25%) обеспечивает высокую вязкость сердцевины. 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.

studfiles.net

Цементация стали

2CO  CO2 + Cатом

или

Ch5  2h3 + Cатом ; Cатом  Fe (аустенит).

Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5-2,00 мм.

studfiles.net

9.2.Цементация сталей.

Насыщение поверхности стали углеродом называется цементацией. Целью цементации является получение твердой, износостойкой поверхности за счет обогащения поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8-1,0% С и последующей закалки и низкого отпуска. Различают два основных вида цементации: в твердых и газовых средах. Детали после механической обработки поступают на цементацию с припуском на шлифование 0.05-0.10мм. Если отдельные участки детали не подлежат упрочнению, то их защищают от цементации тонким слоем меди 0,02- 0,04мм или специальными обмазками (огнеупорная глина, асбест, песок, замешанные на жидком стекле и др.).

ВаСОз + С уг→ВаО + 2СО

2СО → С02+ С атомарный.

СН4 →2Н2 +С атом.;

2СО → С02 + С атом.

1) сокращается длительность процесса, т.к. нет необходимости в прогреве ящиков с карбюризатором;

Для тяжело нагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, когда от детали требуется не только высокая твердость поверхности, но и высокая прочность и высокая ударная вязкость, применяют двойную закалку: одна для улучшения структуры сердцевины из малоуглеродистой стали; другая -для получения свойств цементованного, вьгсокоуглеродистого слоя (рис.9.3,а).

studfiles.net

Цементация стали — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Цемента́ция ста́ли — поверхностное диффузионное насыщение стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0,25 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

в твёрдом карбюризаторе
в газовом карбюризаторе
в кипящем слое
в растворах электролитов
в пастах

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5—10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. Этот процесс известен по крайней мере с XII века[1].

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 900—950 °С, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

При "ускоренном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза, и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придётся убирать многократной нормализацией металла.

Цементация в газовом карбюризаторе[

ru.bywiki.com

Цементация и азотирование стали — МегаЛекции

Процесс цементации известен с давних пор. До середины XIX века высокоуглеродистую сталь умели получать только цементацией. Сейчас ее применяют для упрочнения поверхностного слоя.

Цементация (науглероживание) – диффузионное насыщение поверхностного слоя изделий из малоуглеродистой стали (0,1-0,3%С) углеродом и последующая термическая обработка (закалка и низкий отпуск). Цель цементации – повышение твердости и износостойкости поверхности – достигается обогащением поверхностного слоя углеродом (до 0,8-1,3%) и последующей закалкой с низким отпуском. При этом сердцевина изделия, не насыщаемая углеродом, сохраняет высокую вязкость.

В практике артиллерийского производства и ремонта цементацию стали ведут на глубину 0,5–2,0 мм.

Для мелких мало нагруженных деталей, не испытывающих больших давлений и больших нагрузок на изгиб и скручивание, могут успешно применяться стали 08 и 10. Для тяжело нагруженных деталей применяют углеродистые стали 20, 25 или легированные стали с тем же содержанием углерода.

Прочность сердцевины цементированных деталей из легированной стали в несколько раз выше, чем в деталях из углеродистой стали, что предохраняет цементованный слой от разрушения и продавливания при больших нагрузках.

Цементируемые поверхности деталей механически обрабатывают, оставляя лишь припуск на окончательное шлифование. Поверхности, не подлежащие цементации, подвергают гальваническому покрытию слоем меди, через которую углерод не диффундирует, применяют также обмазку специальными пастами [8].

Различают два основных способа цементации – в твердом карбюризаторе и в газовой среде (газовая цементация).

Цементация стали в твердом карбюризаторе. В качестве карбюризатора (от лат. сarboneum – углерод) могут быть использованы древесный уголь (диаметр зерен угля от 3,5 до 10 мм), торфяной кокс, опилки, сажа и другие углеродосодержащие материалы.

Для ускорения процесса цементации к углю или коксу добавляют активизаторы – углекислые соли BaCO3, Na2CO3 и др. Количество углекислых солей в твердом карбюризаторе составляет от 20 до 40% от массы угля.

Для цементации детали, очищенные от ржавчины и грязи, помещают в ящики из жаропрочной стали. Укладка деталей производится на расстоянии 20-25 мм друг от друга (рисунок 4.13). Ящики накрывают крышками, в отверстия которых устанавливаются контрольные образцы (свидетели), и обмазывают огнеупорной глиной, или смесью глины с тальком, замешанной на жидком стекле. Подготовленные ящики помещают в печь, нагретую до 900-9500С.

Рисунок 4.13 – Схема расположения деталей в цементационном ящике: 1 – детали; 2 – карбюризатор; 3 – контрольные образцы; 4 – цементационный ящик; 5 – крышка; 6 – обмазка

При указанной температуре исходная структура стали превращается в аустенит, который способен растворить в себе до 1,3% С (в соответствии с линией SE диаграммы «Fe – C»). Время цементации после нагрева деталей в ящике до температуры 900–9500С определяется требуемой глубиной насыщения стали углеродом. Ориентировочно можно считать, что для получения цементированного слоя в 0,1 мм требуется выдержка 1 час.

При нагреве в печах уже при низких температурах в цементационных ящиках происходит образование газовой среды, богатой двуокисью углерода:

С + О2 ® СО2.

При постепенном подъеме температуры СО2 реагирует с углеродом древесного угля по следующей реакции:

СО2 + С ® 2СО.

При контакте с деталями (выступают в роли катализатора), нагретыми до температуры 900–9500С, окись углерода разлагается на углекислоту и углерод (активный, находящийся в атомарном состоянии):

Атомарный углерод растворяется в аустените; его содержание повышается и может достигать 1,3%.

Результаты цементации оценивают глубиной и степенью цементации. За глубину цементации принимают расстояние от поверхности вглубь до появления в структуре первых зерен феррита.

Степень цементации определяет среднее содержание углерода в поверхностном слое. Детали артиллерийской техники обычно цементуются до содержания углерода 1,0–1,2%.

Процесс твердой цементации является весьма продолжительной операцией и длится не один десяток часов. Большая продолжительность процесса связана с малой скоростью прогрева ящика, наполненного нетеплопроводным карбюризатором.

Интенсификация процесса достигается применением цементации в газовых средах.

Газовая цементация имеет большое преимущество перед цементацией в твердом карбюризаторе по производительности процесса. При этом способе детали, находящиеся в герметически закрытой камере, быстро нагреваются до температуры 900–9500С, так как не требуется дополнительного времени на прогрев ящика и карбюризатора.

Газовая цементация впервые была применена в 1837 году на Златоустовском металлургическом заводе русским металлургом П. П. Аносовым.

В настоящее время газовая цементация является основным процессом в условиях крупносерийного и массового производства. Для единичного и мелкосерийного производства экономически выгоднее применять более простой способ твердой цементации.

В качестве цементирующих газов используют оксид углерода и газообразные углеводороды.

При температуре 900–9500С в присутствии стальных деталей происходит разложение указанных газов с образованием активного углерода:

2СО ® СО2 + С;

Cnh3n ® 2n H + nC;

Cnh3n+2 ® (2n+2) . H + nC.

Наиболее широкое применение в качестве газообразных карбюризаторов получили предельные углеводороды Ch3n+2 – метан, этан, пропан, бутан и другие, а из них метан в виде природного газа (в котором содержится 92–98% СН4).

По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе газовая цементация имеет ряд преимуществ. К ним относятся:

· повышение производительности процесса в 3-4 раза;

· возможность применения механизации и автоматизации;

· сокращение промежуточных операций термической обработки после цементации, что становится возможным вследствие меньшего роста зерна;

· улучшение условий труда рабочих.

Указанные преимущества способствуют все более широкому внедрению этого способа в практику производства артиллерийских систем.

После окончания твердой и газовой цементации детали подвергаются термической обработке с целью получения высокой поверхностной твердости и износоустойчивости.

В зависимости от условий работы детали может быть применен один из трех вариантов термической обработки.

1. Для неответственных деталей, которые должны обладать только высокой поверхностной твердостью, а остальные механические свойства не имеют существенного значения, применяют закалку с цементационного нагрева, т. е. от 900–9500С. Для снижения уровня остаточных напряжений и повышения пластичности детали после закалки подвергают низкому отпуску при температурах 150–2000С. Твердость поверхностного слоя составляет при этом HRC 58–62, а твердость сердцевины значительно ниже, порядка HRC 25–35 для легированных сталей и еще меньше для углеродистых.

Недостатком этого наиболее простого и наиболее дешевого вида термической обработки является крупнозернистость строения, а также несколько пониженная твердость за счет наличия повышенного количества остаточного аустенита.

Однако эти недостатки могут быть устранены применением наследственно мелкозернистых сталей, сокращением времени пребывания металла при высоких температурах (использование газовой цементации), обработкой холодом (для превращения остаточного аустенита).

2. Для ответственных деталей, к которым предъявляются повышенные требования по структуре и свойствам после цементации, применяют нормализацию от цементационного нагрева. Охлажденные детали подвергают закалке от 850-9000С. В результате закалки в стали произойдет измельчение зерна (нагрев выше верхней критической точки Ас3), цементационная сетка растворится. Сталь будет иметь структуру мартенсита (максимальной твердости в этом случае не получается). Окончательной обработкой является также низкий отпуск при 150–1700С.

3. Для особо ответственных деталей, подвергающихся в процессе эксплуатации высоким динамическим нагрузкам, применяют двойную закалку с последующим низким отпуском. Первая закалка проводится после нормализации при температуре 850–9000С и служит для измельчения зерна стали и растворения сетки цементита. Вторая закалка осуществляется от температуры 760–8000С (выше Ас1, но ниже Асm) и служит для обеспечения максимальной твердости. Структура после второй закалки – мартенсит и вкрапления цементита вторичного.

Отпуск проводится также при температуре 150–1700С.

При производстве артиллерийской техники цементация часто применяется для деталей затвора, полуавтоматики (ролик кривошипа, кривошип и другие). Значительный объем цементации производится в ремонтных органах, особенно при ремонте старых образцов вооружения.

Азотированиемназывается процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностных слоев детали азотом и применяющийся для повышения поверхностной твердости, износоустойчивости, усталостной прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности. Впервые азотирование было разработано и применено русским ученым Н. П. Чижевским в 1913 году.

Перед азотированием детали после закалки и высокого отпуска подвергаются окончательным операциям механической обработки (шлифование).

Азот образует с железом нитриды Fe2N и Fe4N, однако более высокой прочностью и твердостью, а также вязкостью обладают нитриды хрома, алюминия, молибдена (CrN, AlN, MoN). В связи с этим обычно азотированию подвергаются стали, содержащие указанные легирующие элементы. Широкое применение в машиностроении нашла сталь 38ХМЮА, а также ствольные стали ОХМ, ОХН3М, ОХН1В и др.

Азотирование проводится в специальных печах. При азотировании газовая среда должна иметь азот в активном атомарном состоянии. С этой целью применяют аммиак Nh4, который при повышенной температуре диссоциирует на азот и водород по реакции

2Nh4 ®2N + 3h3.

Активный атомарный азот диффундирует в глубь детали и, соединяясь с легирующими элементами стали, образует нитриды, например:

Mо + N ® MoN;

Cr + N ® CrN.

Процесс азотирования ведется при температурах 500-5200С и является весьма длительным.

Для азотирования стали на глубину 0,2-0,4 мм продолжительность процесса достигает 30 часов. Детали артиллерийской техники обычно азотируют на указанную глубину.

Структура поверхностного слоя азотированной детали состоит из сорбита и нитридов. Твердость азотированного слоя в отдельных случаях может достигать HV 1200. Столь высокая твердость может сохраняться в деталях до температур 500–6000С.

Сопоставляя цементацию с азотированием, следует отметить, что при цементации можно получить более глубокий, но менее твердый упрочненный слой, устойчивый к нагреванию до температуры приблизительно 2000С.

Азотирование целесообразно применять для деталей, работающих в условиях трения, подвергающихся действию динамических нагрузок и нагревающихся в процессе работы до температур 500–6000С.

Почти во всех современных орудиях подвергаются азотированию клин затвора, ось кривошипов и некоторые другие детали.

Цианированием называется процесс насыщения поверхностного слоя детали углеродом и азотом с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Различают газовое и жидкое цианирование.

При жидком цианировании процесс осуществляется в ваннах, содержащих расплавленные цианистые соли – цианистый натрий NaCN или цианистый кальций Ca(CN)2.

При высокотемпературном цианировании (840–8800С) детали находятся в ваннах от 1,5 до 2 часов, а затем калятся в масле и подвергаются низкому отпуску при температуре 150–1700С. Структура поверхностного слоя представляет собой азотистый мартенсит, а сердцевина имеет структуру троостомартенсита. Твердость упрочненного слоя достигает НВ 650-700, глубина – до 1 мм.

Для увеличения стойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали, целесообразно проводить низкотемпературное цианирование при температуре 550–6000С в течение 10–15 минут. В этом случае обеспечивается упрочнение на глубину до 0,05 мм.

Существенным недостатком этого вида химико-термической обработки является опасность в работе при обращении с ядовитыми цианистыми соединениями.

Низкотемпературное газовое цианирование (нитроцементация) смесью газов Nh4 и Ch5 и др. менее эффективно, однако опасность при работе резко снижается. Газовое цианирование широко применяется в инструментальном производстве и служит для повышения стойкости режущего инструмента (резцов, сверл, метчиков, фрез), изготовленного из обычных сталей.

При поддержании температуры процесса около 5600С за 1–2 часа упрочненный поверхностный слой составляет 0,02–0,04 мм. Твердость режущей кромки инструмента достигает HV 940–1100.

megalektsii.ru

Цементация стали - это... Что такое Цементация стали?

Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

Способы цементации:

в твёрдом карбюризаторе
в газовом карбюризаторе
в кипящем слое
в растворах электролитов
в пастах

Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором.

Стандартный режим: 900-950 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При "ускореном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией.

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Цементация в кипящем слое

Цементация в слое мелких частиц (0,05-0,20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана (кипящий слой). При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

Цементация в растворах электролитов

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450–1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит кроме электропроводящего компонента вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).

Цементация в пастах

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910-1050°С

Ссылки

veter.academic.ru