Содержание
1. Общая характеристика процессов химико-термическойобработки стали. 2
2. Цементация 4
3. Азотирование 11
4. Нитроцементация 16
5. Цианирование 18
6. Борирование 19
7. Диффузионная металлизация (диффузионное насыщениеметаллами) 20
8. Список используемой литературы 22
Химико-термическаяобработка стали.
I Общая характеристика процессовхимико-термической обработки стали.
Химико-термической обработкой называют поверхностноенасыщение стаи соответствующим элементом (например, углеродом, азотом,алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешнейсреды при высокой температуре.
Процесс химико-термической обработки включает триэлементарные стадии: 1. Выделение диффундирующего элемента в атомарномсостоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2. Контактированиеатомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение(растворение) их в решетку железа (адсорбция); 3. Диффузия атомов насыщающегоэлемента в глубь металла.
Скорость диффузии атомов насыщающего элемента врешетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим сжелезом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем принасыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.
Если энергия активации Q для углерода или азота в γ-железе составляет31-32 ккал/(г·атом), то энергия активации для элементов, образующих с железомтвердые растворы замещения (Cr, Mo, W, Al и др.), превышает 60 ккал/(г·атом), поэтому придиффузионном насыщении металлами процесс ведут при более высоких температурах идлительно и, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при насыщенииазотом, и особенно углеродом.
Толщина проникновения (диффузия) зависит оттемпературы и продолжительности насыщения (рис. 1)
Рис. 1.Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а),температуры(б)и изменениеконцентрации по толщине диффузионного слоя (в).
Толщина диффузионного слоя x взависимости от продолжительности процесса τ при данной температуре обычновыражается параболической зависимостью. Следовательно, с течением временискорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 1, а). толщинадиффузионного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентрациядиффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 1, в).
Концентрация диффундирующего элемента на поверхностизависит от активности окружающей среды, обеспечивающий приток атомов этогоэлемента к поверхности, скорости диффузионных процессов, приводящих к переходуэтих атомов в глубь металла, состава обрабатываемого металла, состава иструктуры образующихся фаз. Повышение температуры, увеличивает скоростьпроцесса диффузии, поэтому толщина диффузионного слоя, образующегося за данныйотрезок времени, сильно возрастает с повышением температуры процесса (рис.1, в).
Природа первичных образований, фазовый состав иизменение концентрации по толщине диффузионного слоя могут быть описаныдиаграммой состояния: металл растворитель – диффундирующий элемент.
Покажем это на диаграммах состояния железо –диффундирующий элемент (Cr, Al, Si и др.). Притемпературе t₁ (рис. 2) диффузияпротекает в решети α без фазовых превращений. Следовательно, при температуренасыщения существуют только α-твердый раствор и концентрациядиффундирующего элемента постепенно уменьшается от максимальной на поверхностидо нуля на некоторой глубине.
Диффузионный слой по микроструктуре можно определитьтолько из-за несколько большей или иной его травимости. Насыщение притемпературе t₂ сопровождается фазовой перекристаллизациейпри температуре диффузии. Диффузия первоначально протекает в γ-фазе, а подостижении на поверхности предела растворимости происходит фазовая перекристаллизацияγ→α. Зародыши α-фазы от поверхности растут по направлениюдиффузии, образуя характерные столбчатые кристаллиты.
На границе раздела двух фаз (γ и α)устанавливается перепад концентрации (см. рис. 2), а в микроструктуре (после охлаждения)обнаруживается пограничная диффузионная линия. Существенно, что двухфазные слои(γ+α) при температуре диффузии не могут образовываться, а могут возникнутьтолько в результате превращений во время охлаждения. При насыщении легированнойстали при температуре диффузии могут возникнуть многофазные слои.
Рис. 2.Схема диаграммы состояния железо – диффундирующий элемент, характеризующегоэлемента по толщине диффузионного слоя и строение диффузионного слоя.
При определении толщины диффузионного слоя, полученногопри насыщении железа (стали) металлами и неметаллами обычно указывается неполная толщина слоя с изменением составом, а только толщина до пограничнойдиффузионной линии между α- и γ-фазами (при насыщении металлами) илидо определенной твердости (концентрации диффундирующего элемента) – эффективная толщина диффузионного слоя.
II Цементация
Цементациейназывается процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают дваосновных вида цементации: твердым углеродсодержащими смесями (карбюризаторами)и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкойповерхности, что достигается обогащение поверхностного слоя углеродом и последующейзакалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработкаодновременно повышают и предел выносливости.
Дляцементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12 – 0,23% С). Выбортаких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаясяуглеродом при цементации, сохранял высокую вязкость после закалки.
Дляцементации детали поступают после механической обработки с припуском нашлифование 0,05 – 0,10 мм или после окончательной обработки (например,автомобильные шестерни). Во многих случаях цементации подвергаются только частьдетали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди(0,02 – 0,05 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируютспециальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбестаили окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.
Механизм образования и строение цементованного слоя.
Диффузия углерода в сталь возможна только в томслучае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например,диссоциацией газов, содержащих углерод (CO, CH₄ идр.). атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубьметалла.
Цементация,как правило, проводя т при температурах выше точки Ас₃, при которых устойчив аустенит, растворяющий в большихколичествах углерод. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решеткуγ-железа.
При температурецементации (выше точки Ас₃) диффузионныйслой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктовего распада: феррита и
цементита(рис. 3, а). Концентрация углерода при этом обычно не достигает пределанасыщения (Cmax) при даннойтемпературе.
Рис. 3. Диаграмма состояния Fe — Fe₃C(а), изменение содержания углерода, твердостипосле закалки (б), и микроструктуры после медленногоохлаждения (в, х 250)по толщине цементованного слоя.
Цементированныйслой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхностик сердцевине детали (рис. 3, б). В связи с этим после медленного охлаждения вструктуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) тризоны (рис. 3, в): заэвтектоидную 1, состоящуюиз перлита и вторичного цементита, образующего сетку бывшему зерну аустенита;эвтектоидную 2, состоящую из одногопластичного перлита, и доэвтектоидную 3– из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает помере приближения к сердцевине.
Заэффективную толщину цементированного слоя принимают сумму заэвтектоидной,эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (см. рис. 3, в) илиглубину распространения контрольной твердости свыше определенного значения. Вкачестве контрольно твердости (после термической обработки) применяют: 1)твердость HRC 50, характеризующую суммарную глубину эвтектоиднойзоны и половины переходной зоны (до 0,45% С); 2) твердость HV 540 – 600(в зависимости от марки стали) при нагрузке 1 – 5 кг.
Толщина(эффективная) цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм. Чем вышетемпература, тем больше толщина слоя, получаемая за данный отрезок времени.
Концентрацияуглерода в поверхностном слое должна составлять 0,8 – 1,0%. Для получениямаксимального сопротивления контактной усталости количество углерода может бытьповышенно до 1,1 – 1,2%. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшениемеханических свойств цементуемого изделия.
Легирующиеэлементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементируемогослоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей,легированных карбидообразующих элементами, при температуре диффузии возможнообразование двухфазного слоя – аустенит и карбиды, имеющие глобулярную форму. Вэтом случае средняя суммарная концентрация углерода на поверхности можетпревышать растворимость углерода в аустените при данной температуре. Нередко концентрацияуглерода в сталях, содержащие Cr, Mn, W, Mo или V, достигает 1,8– 2,0%.
Легирующие элементы в том количестве, вкотором они присутствуют в цементуемых сталях, на толщину слоя практическивлияния не оказывают.
Цементация твердым карбюризатором.
Вэтом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый)в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс,к которым добавляют активизаторы: углекислый барий (BaCO₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₂)количестве 10 – 40% от массы угля.
Широкоприменяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20 – 35% BaCO₃ и ~3,5% CaCO₃[1] Рабочую смесь, применяемуюдля цементации, составляют из 25 – 35% свежего карбюризатора и 65 – 75% отработанного.Содержание BaCO₃ в такой смеси 5 – 7%,что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубойцементитной сетки на поверхности.
Изделия,подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики:сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной формы. При упаковкеизделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 –30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние междудеталями и до боковых стенок ящика 10 – 15 мм. Затем засыпают и утрамбовываютдругой ряд деталей и т.д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоемкарбюризатора толщиной 35 – 40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную егоусадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глинойили смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь.
Нагревдо температуры цементации (910 – 930 ˚С) составляет 7 – 9 мин. на каждыйсантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки притемпературе цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5 –6,5 ч для слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1,2 – 1,5 мм.При большом размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм продолжительностьвыдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1,2 – 1,5 мм – 11 – 14 ч.
Послецементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500 ˚С и затем раскрывают.
Цементациюстали проводят атомарным углеродом. При цементации твердым карбюризатором атомарныйуглерод образуется следующим образом. В цементированном ящике имеется воздух,кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродомкарбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железадиссоциирует по уравнению
2CO→CO₂ + Cат.
Углеродвыделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарными диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор,обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:
BaCO₃ + C→BaO + 2CO.
Газовая цементация.
Этотпроцесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газоваяцементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе,поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовымипартиями.
Вслучае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое;сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогреваящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможностьполной механизации процессов и значительно упрощается последующая термическаяобработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационнойпечи.
Наиболеекачественный цементованный слой получается при использовании в качествекарбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (CH₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутыхспециальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией,обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциацияокиси углерода и метана:
2CO→CO₂ + Cат.
или
CH₄→2H₂ + Cат, Cат→Feγ=аустенит Feγ(С).
Процессведут при 910 – 930 ˚С, 6 – 12 ч (толщина слоя 1,0 – 1,7 мм)
Всерийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельныхпечах серии Ц (рис. 4). Шахтные печи серии Ц (Ц-35Б, Ц-60Б, Ц-75Б, Ц-105Б)имеют рабочую температуру 950˚С, единовременную загрузку 185 – 1100 кг,диаметр рабочего пространства 300 – 600 мм и высоту 600 – 1200 мм[2]. Изделия в печь загружаютна специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте.Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче (с помощьюспециальной капельницы) в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин,синтин, спирты и т.д.). Углеводородные соединения при высокой температуреразлагаются с активного углерода и водорода.
Рис. 4.Шахтная муфельная электропечь серии Ц: 1– футеровка; 2 – нагревательные элементы; 3 – муфель; 4 – решетка; 5 – загрузочнаякорзина; 6 – подставка под корзину; 7 – подставка под муфель; 8 – кожух; 9 –монтаж проводов; 10 – механизм подъема и поворота крышки; 11 – патрубок дляотбора газа на анализ; 12 – газовая свеча; 13 – подвод карбюризатора; 14 – вентилятор;15 – крышка.
Напредприятиях с серийным масштабом производства также применяют камерныеуниверсальные печи с герметизированной форкамерой и закалочным баком. В таких печахисключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектовна поверхности изделий, снижается прочность.
В крупносерийном и массовом производстве газовуюцементацию производят в безмуфельных печах непрерывного действия (рис. 5). Вэтих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизировани автоматизирован; производительность таких установок достигает 500 – 600 кг/чи более. В этих печах обрабатываемые детали размещаются в поддонах,перемещаемых
Рис. 5. Безмуфельная печь непрерывного действия для газовой цементации:
1– гидравлический толкатель; 2 – загрузочный тамбур; 3 – вентиляторы дляциркуляции атмосферы печи; 4 – радиационные трубы для нагрева; 5 – охлаждающиетрубы зоны подстуживания; 6 – разгрузочный тамбур; 7 – закалочный бак; 8 –горелки; 9 – маслонасосная установка; 10 – вытаскиватель поддона
толкателямивдоль рабочей камеры. Закалка производится непосредственно из цементационнойпечи. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяютэндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92 – 95% эндогазаи 3 – 5% природного газа). Эндотермическая атмосфера (20% CO, 40% Н₂ и 40% N₂) получается частичным сжиганием природногогаза или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000– 1200 ˚С в присутствии катализатора.
Вгенераторе протекает следующая реакция:
CH₄ + 0,5(O₂ + 3,8N₂) → CO + 2H₂ + 1,9N₂.
Основноепреимущество эндотермической атмосферы – возможность автоматическогорегулирования углеродного потенциала, под которым понимают ее науглероживающуюспособность, обеспечивающую определенную концентрацию на поверхности цементованногослоя. Углеродный потенциал эндотермической атмосферы устанавливают о точке росы[3] или содержанию в нейСО₂, поскольку концентрации водяных паров и СО₂ взаимосвязаны.
Принебольшом содержании в эндотермической атмосфере СН₄ (до 5,0%) он не участвуетнепосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфереСО:
СН₄ + Н₂О ↔ СО+ 3Н₂
СН₄ + СО₂ ↔ 2СО + 3Н₂
Вэтих условиях на поверхности стали практически не выделяется сажа и сохраняетсяоднозначная зависимость между углеродистым потенциалом и содержанием Н₂Ои СО₂ в атмосфере.
Длясокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовуюцементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы вначалеподдерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2 –1,3% С, а затем его снижают до 0,8%.
Впечах непрерывного действия предусмотрены две зоны по длине печи. В первую зону,примерно соответствующую ⅔ длины печи, подают газ, состоящий из смесиприродного и эндотермического газов (углеродный потенциал атмосферы 1,2 – 1,3%С). Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесиис заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. При использованииэтого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углеродав слое от 1,2 – 1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенногов аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрацииуглерода и легирующих элементов (в результате образования карбидов) приводит куменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге кухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовойцементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Этоприводит к окислению, например, Cr, Mn, Ti и другихэлементов поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим сродством ккислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннееокисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке вцементованном слое образуются трооститная сетка и окислы, что понижает твердостьи предел выносливости стали. Добавки к цементирующей атмосфере (в концепроцесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления.
Азот,растворяясь в аустените, повышает его устойчивость, частично восполняя потерихрома и марганца. Однако следует иметь в виду, что при высоком содержании в атмосфереаммиака в диффузионном слое может образоваться так называемая темная составляющая(видимо, поры с окисленными стенками), снижающая механические свойства стали.Для устранения внутреннего окисления рекомендуется использовать стали, дополнительнолегированные никелем и молибденом.
Скоростьгазовой цементации при температуре 930 – 950˚С составляет 0,12 – 0,15 мм/чпри толщине слоя до 1,5 – 1,7 мм.
Термическая обработка стали после цементации исвойства цементованных деталей.
Окончательныесвойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки,выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру иизмельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся вовремя длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокуютвердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины;устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть принасыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.
Вбольшинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей,применяют закалку выше точки Ас1(сердцевины) при 820 – 850˚С.
Этообеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичнуюперекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементациичасто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно изцементационной печи после подстуживания изделий до 840 – 860 ˚С, дляуменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляетструктуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалкуприменяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственномелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняюттакже ступенчатую закалку в горячем масле (160 – 180 ˚С).
Послецементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска.Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 890 ˚С (выше точки Ас3 сердцевины) назначают дляисправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слоев аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь не образуется прибыстром охлаждении. Вторую закалку проводят с нагревом до 760 – 780 ˚С дляустранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостатоктакой термической обработки заключается в сложности технологического процесса,повышенном колебании, возникающем в изделиях сложной формы, и возможностиокисления и обезуглероживания.
Врезультате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатогомартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (15 – 20%) илимартенсита, остаточного аустенита и небольшого количества избыточных карбидов ввиде глобулей.
Заключительнооперацией термической обработки цементованных изделий во всех случаях являетсянизкий отпуск при 160 – 180 ˚С, переводящий мартенсит закалки в поверхностномслое, отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.
Твердостьповерхностного слоя после термической обработки HRC 58 – 62.
Приодинарной закалке высоколегированной сталей в структуре цементованного слоясохраняется большое количество (до 50 – 60% и более) остаточного аустенита,снижающего твердость. Такие стали после закалки обрабатывают холодом, чтоспособствует переводу большей части остаточного аустенита в мартенсит, врезультате чего повышается твердость. Например, твердость хромоникелевой сталипосле цементации и закалки составляет HRC 52, а после обработки холодом возрастает до HRC60– 62.
Дляразложения остаточного аустенита после цементации чаще применяют высокий отпускпри 630 – 640 ˚С, после чего следует закалка с пониженной температуры инизкий отпуск. Такая обработка также обеспечивает высокую твердостьцементованного слоя. Структура сердцевины обусловлена составом обрабатываемойстали и принятым режимом закалки. Сердцевина деталей из углеродистой сталисостоит из феррита и перлита (сорбита), а из легированных сталей – из феррита имартенсита (или бейнита) при закалке с температуры ниже Ас3 (для сердцевины), а также из бейнита илинизкоуглеродистого мартенсита при закалке с температуры выше Ас3. Низкоуглеродистыймартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.Сохранение обособленных участков или сетки феррита нежелательно, так как этосопровождается значительным снижением прочности, пластичности и вязкости цементованныхизделий. Твердость сердцевины для различных сталей составляет HRC 20 – 40.
Цементацияс последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделийвследствие образования в поверхностном слое значительных остаточных напряженийсжатия (до 40 – 50 кгс/мм2) и резко понижает чувствительность кконцентраторам напряжений при условии непрерывной протяженности упрочненногослоя по всей упрочняемой поверхности детали. Например, после цементации наглубину 1,0 мм закалки и отпуска хромоникелевой стали (0,12% С; 1,3% Cr; 3,5% Ni) предел выносливостиобразцов без концентраторов напряжений увеличился от 56 до 75 кгс/мм2,а при наличии надреза от 22 до 56 кгс/мм2. Цементованная стальобладает высокой износостойкостью и контактной прочностью, которая достигает200 кгс/мм2.
III Азотирование
Азотированиемназывают процесс диффузионного насыщения поверхности слоя стали азотом при нагревеее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя,его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в такихсредах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметновыше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур(500 – 600 ˚С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющегомартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 ˚С
Механизм образования азотированного слоя.
Всплавах железа с азотом образуется следующие фазы (рис. 6): твердый растворазота в α-железе (α-фаза); γ´-фаза – твердый раствор наоснове нитрида железа Fe₄N (5,7 – 6,1% N);ε-фаза – твердый раствор на базе нитрида железа Fe₃N (8 – 11,2% N). В сплавах с 11,35% N при 450 ˚С возможно образование ξ-фазы Fe₂N.
При температуре выше 591 ˚С существуетγ-фаза, представляет собой твердый раствор азота в γ-железе. При 591˚С γ-фаза претерпевает эвтектоидный распад. Азотистый эвтектоидсодержит 2,35% N и состоит изα-γ̒-фаз.
Рис. 6. Диаграмма состояния Fe– N(а) иизменение содержания азота (б) и микроструктуры (в х 250) по толщине азотированногослоя, полученного при 600 ˚С на железе.
Азотированиепроводят в атмосфере аммиака, который при нагреве диссоциирует[4] по уравнению 2NH₃ → 2N + 6H.
Образовавшийсяатомарный азот диффундирует в железо. Если выполнять азотирование при температурениже эвтектоидной (591 ˚С), то в начальный момент насыщения на поверхностистали образуется α-фаза (рис. 6, а). По достижении предела насыщенияα-фазы начинается образование следующей фазы, стабильной при даннойтемпературе, а именно γ´-фазы. При дальнейшем насыщении азотомобразуется ε-фаза. Следовательно, в результате диффузии в азотированномслое располагаются в поверхностной зоне наиболее богатая азотом ε-фаза,несколько ниже γ´- и α-фаза.
Спонижением температуры ε- и α-фазы в соответствии с диаграммойсостояния (см. рис. 6, в) распадаются, выделяя избыточную γ´-фазу. Всвязи с этим после медленного охлаждения фазы в диффузионном слое можно расположитьв следующем порядке от поверхности к сердцевине: ε + γ´II →γ´ → α+ γ´II → α → сердцевина (с исходнойструктурой).
Привыполнении азотирования выше эвтектоидной температуры, например tд (рис.6), сначала возникает α-фаза, затем по достижении ее предела насыщенияобразуется γ-фаза, после насыщения которой на поверхности появляетсяγ´-фаза, и, наконец, ε-фаза. Таким образом, при температуредиффузии азотированный слой состоит из следующих фаз (от поверхности ксердцевине): ε → γ´ → γ´ → α.При медленном охлаждении ε- и α-фазы распадаются и выделяютизбыточную γ´-фазу (Fe₄N), а γ-фаза претерпевает эвтектоидное превращение,распадаясь на эвтектоидную структуру α + γ´. Тогда при 20˚С азотированный слой будет состоять из ε + γ´ →γ´ → α + γ´ (эвтектоид) → α +γ´II → α (см. рис.6).
Переходот одной фазы к другой сопровождается резким перепадом концентрации азота, таккак двухфазные слои (ε + γ´ или α + γ´) притемпературе насыщения железа азотом существовать не могут (см. рис. 6). Принасыщении легированных сталей при температуре диффузии могут образовыватьсямногофазные слои.
Стали для азотирования.
Твердостьслоя, получаемого при азотировании железа, невелика, поэтому азотированиюподвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают особовысокую твердость и износостойкость. При азотировании легированных сталейобразуются нитриды специальных элементов. При низких температурах азотированияв α- твердом растворе образуются сегрегации типа зон Гинье – Престона. Привысоких температурах возникают дисперсные нитриды легирующих элементов (Cr₂N, Mo₂N, VN и др.). Зоны Гинье – Престона и обособленныевыделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышаюттвердость азотированного слоя. Наиболее сильно повышают твердость алюминий,хром, молибден и ванадий. Стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом,ванадием и не содержащие алюминия, после азотирования имеют твердость HV 600 –950. Эти стали часто применяют для азотирования.
Еслиглавным требованиям, предъявляемым к азотированному слою, является высокиетвердость и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35 –0,42% С; 1,35 – 1,65% Cr; 0,7 – 1,10%Al и 0,15 – 0,25% Мо. Одновременно присутствие алюминия,хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя до HV 1200. Молибден,кроме того, устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленномохлаждении от температуры азотирования. Легирующие элементы, повышая твердость,одновременно уменьшают, при прочих равных условиях, толщину слоя. Для повышениякоррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.
Износостойкостьазотированной стали выше, чем цементованной и закаленной. В азотированном слоевозникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет60 – 80 кгс/мм². Это повышает предел выносливости и переносит очагусталостного разрушения подазотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30 –40%, а при наличии концентратов напряжений (острых надрезов) более чем на 100%.
Технология процесса азотирования.
Технологическийпроцесс предусматривает несколько операций, приведенных ниже:
1. Предварительнаятермическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпускастали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.
Закалкустали 38Х2МЮА выполняют с нагревом до 930 – 950 ˚С с охлаждением в водеили масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600 – 675 ˚С,превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающейполучение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структурастали после этого отпуска – сорбит.
2. Механическаяобработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размерыдетали.
3. Защита участков,не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01 – 0,015 мм) оловаэлектролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуреазотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемойдля азота пленки.
4. Азотирование
5. Окончательноешлифование или доводка изделия.
Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурациирекомендуется выполнять 500 – 520 ˚С. Длительность процесса зависит оттребуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, темниже твердость азотированного слоя и больше толщины (рис. 7). Снижениетвердости азотированного слоя связанно с коагуляцией нитридов легирующихэлементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3 – 0,6 мм.Процесс азотирования при 500 – 520 ˚С в этом случае является продолжительными составляет 24 – 60 ч.
Рис. 7. Влияние температуры ипродолжительности азотирования на твердость и толщину азотированного слоя: 1 – сталь 38ХМЮА; 2 – легированные конструкционныестали (40Х, 40ХНМА, 18Х2Н4ВА и др.); 3 – углеродистые стали.
Впроцессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия в следствиеувеличение объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышениитемпературы азотирования и толщины слоя.
Дляускорения процесса азотирования нередко применяют двухступенчатый процесс:сначала азотирование проводят при 500 – 520 ˚С, а затем при 540 – 560˚С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса,при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение послеазотирования производят вместе с печкой в потоке аммиака (до 200 ˚С) воизбежание окисления поверхности.
Рис 8. Шахтная муфельная печь США-8.12/6.Л1:
1– Каркас печи; 2 – вентилятор; 3 – крышка; 4 – муфель;5 – футеровка; 6 – нагреватели; 7 – крестовина;8 – направляющий экран.
Азотированиечаще ведут в шахтных печах (рис. 8) с принудительной циркуляцией газа имаксимальной рабочей температурой 600 или 700 ˚С. Шахтные печи (США)выпускаются с двумя сменными муфелями или с одним стационарным.
Первыймуфель после окончания процесса азотирования вынимается из печи и охлаждаетсяна воздухе, в печь загружается второй муфель с деталями. При азотировании крупногабаритныхизделий более экономичны печи с одним муфелем.
Значительноесокращение (в 2 – 3 раза) общего времени процесса достигается при азотированиив тлеющем разряде (ионное азотирование), которое пров