 |
Цементация и азотирование стали
|
|
|
|
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;
CnH2n ® 2n H + nC;
CnH2n+2 ® (2n+2) . H + nC.
Наиболее широкое применение в качестве газообразных карбюризаторов получили предельные углеводороды CH2n+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.
Азотированием называется 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 NH3, который при повышенной температуре диссоциирует на азот и водород по реакции
2NH3 ®2N + 3H2.
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 NH3 и CH4 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 560 0 С за 1–2 часа упрочненный поверхностный слой составляет 0,02–0,04 мм. Твердость режущей кромки инструмента достигает HV 940–1100.
|
|
|
