 |
Цементация и азотирование стали. Нитроцементация.
|
|
|
|
Цементация стали —это процесс поверхностного насыщения машиностроительной малоуглеродистой стали углеродом, произведенный с целью поверхностного упрочнения деталей.
В зависимости от применяемого карбюризатора цементация подразделяется на три вида:
1) цементация твердым карбюризатором (75% древесного угля и 25% ВаСO3, СаСO3);
2) газовая цементация (метан, пропан, природный газ);
3) жидкостная цементация (расплавленные соли: 80% Na2CO3, 10% NaCl, 10% SiC).
Цементация твердым карбюризатором производится путем нагрева деталей (упакованных в ящики) из железа, чугуна или жароупорной стали вместе с карбюризатором; температура нагрева 900—930° С; выдержка от 2 до 10 ч. Глубина цементованного слоя 0,5—3,0 мм. Концентрация углерода в поверхностном слое 0,9—1,2%.
В процессе цементации протекают следующие реакции:
кислород воздуха взаимодействует с углеродом карбюризатора:2С + О2 = 2СО; 2СО -><-СО, + Сат.
Образовавшийся в результате реакции атомарный углерод (Сат) диффундирует в железо: Сат -> Feγ = FeγC (аустенит).
Цементованные твердым карбюризатором детали подвергают последующей термической обработке: двойной закалке и отпуску.
Первая закалка производится при температуре нагрева 880— 900° С с целью исправления структуры сердцевины детали, испытывающей в процессе цементации перегрев.
Вторая закалка производится при температуре нагрева 770—780° С для устранения перегрева и придания высокой твердости цементованному слою. Далее производится низкий отпуск для снятия напряжений при температуре 150—180° С.
Описанный процесс термической обработки дорогой, сложный и сопровождается повышенным короблением и обезуглероживанием обрабатываемых деталей. В настоящее время для мелкозернистых сталей, у которых не происходит сильного роста зерна в процессе цементации, широко применяется одинарная закалка при температуре 820—860° С и низкий отпуск.
|
|
|
В результате термической обработки поверхностный слой имеет структуру мартенсит и избыточные карбиды (Fe3C, CrC, WC, VaC и др.).
Для цементации твердым карбюризатором применяются камерные печи и печи непрерывного действия с вращающейся ретортой. Печи обогреваются мазутом, газом или электричеством.
Газовая цементация проще цементации твердым карбюризатором и заключается в том, что цементируемые детали нагревают и выдерживают при температуре 900—1000° С в печи, куда в течение всего процесса подается цементирующий газ (саратовский, светильный, нефтяной, аэрофильтрации и др.).
Основной реакцией газовой цементации, обеспечивающей процесс науглероживания, является диссоциация метана:
СН4 -> <-2Н2 + Сат; Cат -> Feγ = FeγC (аустенит).
Расход газа для цементации зависит от состава и конструкции печи. В среднем при глубине цементации 1,0—1,2 мм расход светильного газа составляет 80 л на 1 кг деталей, а природного газа — 30 л на 1 кг деталей.
Продолжительность процесса газовой цементации по сравнению с процессом цементации твердым карбюризатором меньше в 2— 2,5 раза.
Для газовой цементации применяют специальные установки, состоящие из печи и оборудования для подачи в печь цементирующего газа. Чаще всего применяются ретортные печи с вентилятором, а также печи непрерывного действия с горизонтальными муфелями. В настоящее время внедряются в производство безмуфельные печи непрерывного действия, нагреваемые излучающими трубками.
По сравнению с цементацией твердым карбюризатором газовая цементация имеет ряд преимуществ:
1) удобство регулирования глубины цементируемого слоя и концентрации в нем углерода;
2) отсутствие расходов на цементационные ящики; меньшие производственные площади; меньшее число потребного обслуживающего персонала;
|
|
|
3) более высокая производительность;
4) возможность автоматизации процесса.
Газовая цементация получила широкое применение в массовом и крупносерийном производстве, особенно в автотракторостроении.
Жидкостная цементация нашла применение для упрочнения поверхностного слоя мелких стальных деталей. Основным достоинством жидкостной цементации в соляных ваннах является равномерность нагрева, возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и небольшие деформации обрабатываемых деталей.
Процесс цементации производится при температуре 840—860° С. Время выдержки от 30 мин до 2,5 ч. Глубина цементованного слоя 0,3—0,7 мм.
Цементации любым из рассмотренных выше способов подвергаются детали из углеродистой и легированной стали с содержанием углерода не более 0,2%.
Цементация легированных сталей, содержащих карбидообразующие элементы Cr, W, V, дает особо хорошие результаты: у них, кроме повышения поверхностной твердости и износостойкости, увеличивается также предел усталости.
Азотирование стали впервые предложено акад. Н. П. Чижевским. Процесс азотирования стальных деталей заключается в поверхностном насыщении азотом в среде аммиака (NH3) при температурах нагрева 500—700° С в течение 20—90 ч. Глубина азотированного слоя допускается в пределах 0,2—0,8 мм.
Азотирование применяется для повышения твердости, износостойкости, предела усталости, сопротивления коррозии и жаропрочности.
Азотированию могут подвергаться детали из углеродистой низко-легированной и легированной сталей, а также чугун.
Детали из углеродистой и низколегированной стали азотируют для увеличения сопротивления коррозии. Твердость азотированной. поверхности у них не превышает HV 250—300.
1 — твердость для стали 38ХМЮА; 2 — для легированных сталей, не содержащих алюминий; 3 — для углеродистой стали
Легированные стали с содержанием хрома, никеля, алюминия и молибдена после азотирования имеют поверхностную твердость HV 850—1200 (рис. 37). Это достигается за счет образования мелкодисперсных нитридов на поверхности детали (химических соединений азота с элементами AlN, GrN, Cr2N, MoN).
|
|
|
Технологический процесс изготовления деталей при применении азотирования состоит из следующих этапов:
1) предварительная термическая обработка заготовки;
2) механическая обработка детали, включая шлифование;
3) защита мест, не подлежащих азотированию (покрытие тонким слоем олова гальваническим способом);
4) азотирование;
5) окончательное шлифование или доводка в соответствии с заданными допусками.
Необходимо иметь в виду, что при азотировании имеет место деформация деталей (коробление). Деформация детали будет тем больше, чем выше температура азотирования и глубина азотированного слоя и чем тоньше стенки детали.
|
|
|
