Классификация химико-термической обработк

  Марки  цементуемых сталей: Ст1, Ст2, Ст3, 10, 15, 20, 25, 15Х, 18ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА и др.

  В процессе  цементации в поверхностном слое  содержание углерода повышают  до 0,8…1,2 %.

  Цементацию  стали в большинстве случаев  выполняют при 930 – 950 ºC, то есть в аустенитной области, так как растворимость углерода в аустените велика.

  В практике ХТО применяют, в основном, «твёрдую» и «газовую» цементацию. Однако существуют также методы «жидкой» цементации и цементация «с использованием паст».

  Толщина  цементованного слоя в зависимости  от размеров детали равна 1,5 – 2,5 мм.

1).  Твёрдая цементация

  Технология твёрдой цементации: детали загружают в цементационные ящики, стальные или чугунные, в которые загружают карбюризатор. Детали располагают таким образом, чтобы они со всех сторон соприкасались с карбюризатором. Цементационный ящик накрывают крышкой и замазывают по краям крышки обмазкой. Это необходимо для того, чтобы уменьшить доступ воздуха.

  Состав  карбюризатора – древесный уголь,  катализаторы BaCO₃ , Na₂CO₃ (в сумме 20 – 30 %), CaCO₃ – 3,5 %.

В карбюризаторе  при температуре цементации происходят следующие реакции:

2C + O₂ = 2CO; 2CO → C_ат. + CO₂

Катализаторы повышают парциальное  давление CO: BaCO₃ + C = BaO + 2CO; Na₂ CO₃ + C = Na₂ O + CO. CaCO₃ предотвращает спекание составляющих карбюризатора. Далее происходят процессы адсорбции атомарного углерода поверхностью стальной детали и диффузия атомарного углерода в глубь с образованием цементованного слоя необходимой толщины.

  Обычно применяют 25 – 30 % «свежего» карбюризатора и остальные 70 – 75 % использованного.

  На цементацию поступают  детали после обработки резанием  с припуском на шлифование, равным 0,05 – 0,10 мм. Участки поверхности,  не подлежащие цементации, защищают  электролитическим меднением с толщиной покрытия 0,02 – 0,05 мм, или обмазками. Состав обмазок: асбест, тальк, глина, песок, вода или глинозём, тальк и «жидкое стекло». [асбест – 3Mg(Fe)O.CaO.4SiO₂; тальк – 3MgO.H₂O.4SiO₂; жидкое стекло -       Na₂SiO₃, K₂SiO₃]. Продолжительность нагрева зависит от размеров цементационного ящика: 7 – 9 минут на сантиметр сечения минимального размера ящика. За получением заданной толщины цементованного слоя следят, используя «свидетели». Например, в ящике с размерами 150 * 150 мм требуется 5,5 – 6,5 ч выдержки для получения цементованного слоя δ = 0,7 – 0,9 мм, и 9 – 11 ч выдержки для получения слоя δ = 1,2 – 1,5мм, а размерами 250 * 250 мм – 7,5 – 8,5 и 11 – 14 ч, соответственно. После окончания выдержки цементационные ящики извлекают из печи и охлаждают на воздухе до 400 – 500 ºC и затем извлекают детали.

 За толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до половины переходного слоя (≈ 0,3 % C).

  Необходимые свойства детали  приобретают после термической  обработки.

Достоинства «твёрдой» цементации – простота и доступность, недостатки – большая длительность процесса, так как приходится нагревать не только детали, но дополнительно цементационные ящики и карбюризатор, характеризующийся низкой теплопроводностью. Другой недостаток – невозможность закалки с цементационного нагрева.

2). Газовая цементация.

  Газовая цементация осуществляется в среде предельных и непредельных углеводородов (CH₄ – метан, C₂H₆ – этан, C₃H₈ – пропан, C₄H₁₀ – бутан) и CO – окиси углерода при 910 – 930 ºC.

  Технология газовой цементации: изделия после механической обработки с припуском на шлифование 0,05 – 0,1 мм, и с защищёнными от цементации участками деталей , не подлежащих науглероживанию, укладывают на поддоны и помещают в цементационные печи – шахтные, муфельные или безмуфельные печи непрерывного действия. Шахтные печи применяют для деталей весом 185 – 1100 кг, они имеют диаметр рабочего пространства 300 – 500 мм и высоту 600 – 1200 мм. В качестве науглероживающей среды в шахтных печах кроме газов, перечисленных выше, также используют керосин, синтин, спирты, которые впрыскивают в рабочее пространство печи.

  В горизонтальных безмуфельных  печах непрерывного действия  весь цикл цементации и последующей  термообработки механизирован и  автоматизирован. Производительность печей 500 – 600 кг/ч.

  Обычно используют эндотермическую  атмосферу, которую получают сжиганием  природного газа или других  углеводородов при 1000 – 1200 ºC в специальных генераторах + 3 -5 % CH₄ в присутствии катализатора и невысоком коэффициенте избытка воздуха:

CH₄ + 0,5 (O₂ + 3,8N₂ ) → CO + 2H₂ + 1,9N₂

  Состав эндогаза: 20 % CO, 40 % H₂, 40 % N₂.

  Применение эндотермической  атмосферы обеспечивает возможность  автоматического регулирования  углеродного потенциала – науглероживающей  способности, обеспечивающей получение определённой заданной концентрации углерода на поверхности цементованного слоя.

  Его устанавливают по точке  росы – температуре, при которой  начинается конденсация водяных  паров, содержащихся в атмосфере  печи. Точка росы регулируется именением коэффициента избытка воздуха, подаваемого в генератор.

CH₄ + H₂O ↔ CO + 3H₂; CH₄ + CO₂ ↔ 2CO + 3H₂ (при содержании до 5 % CH₄). Существует однозначная зависимость между углеродным потенциалом и содержанием H₂O и CO₂ в атмосфере печи.

  На протяжении первой 2/3 печи  устанавливают углеродный потенциал  на получение 1,2 – 1,3 % C, затем на последней 1/3 печи – 0,8 % C. Это даёт сокращение времени цементации.

  Средняя скорость газовой  цементации равна 0,12 – 0,15 мм/ч  при толщине цементованного слоя 1,5 – 1,7 мм.

  Достоинства газовой цементации: сокращение времени, так как  нагреваются только детали, возможность  снижения температуры цементации  ≈ на 100 ºC и создания автоматических линий цементация – термообработка и др.

 

3). Термическая обработка после цементации.

  Высокая твёрдость поверхностного  слоя при сохранении «вязкой»  сердцевины обеспечивается обязательной  после цементации термообработкой,  так как простое повышение содержания углерода в поверхностном слое не обеспечивает высокой твёрдости.

  А. После твёрдой цементации: 1) для «ответственных деталей», то есть испытывающих большие напряжения или находящихся в сложнонапряжённом состоянии, испытывающих большие ударные нагрузки, в том числе при низких температурах и испытывающих знакопеременные или пульсирующие по величине нагрузки – первая полная закалка (или нормализация) от 880 – 930 ºC, цель которой измельчение зерна «сердцевины», выросшего в результате длительной выдержки деталей при высоких температурах цементации и частичное растворение цементитной (карбидной) сетки в заэвтектоидной зоне цементованного слоя; вторая – неполная закалка для заэвтектоидной и эвтектоидной зон от 750 – 780 ºC, отпуск (низкотемпературный или низкий) при 150 – 180 ºC. Если детали изготовлены из легированных сталей, то после неполной закалки можно назначить «обработку холодом», то есть продолжить закалку в жидкости с температурой М_к стали – с учётом содержания углерода и легирующих элементов в поверхностном слое. 2) для «неответственных деталей, то есть работающих в более лёгких условиях и изготовленных из наследственно мелкозернистых сталей: неполная закалка и низкий отпуск.

  Б. После газовой цементации: подстуживание до 840 – 850 ºC. Между закалкой и отпуском возможна обработка холодом, низкий отпуск.

  В случае, когда цементация или закалка производятся с нагревом ТВЧ, температура повышается до 1080 – 1100 ºC (аустенитное зерно почти не растёт).

  Достоинства газовой цементации  – сокращение продолжительности  всего процесса, возможность закалки  с цементационного нагрева и создания автоматических линий – цементация - подстуживание – закалка – обработка холодом – отпуск; возможность контролирования содержания углерода в поверхностном слое посредством регулирования углеродного потенциала газовой среды.

  В. Структура по сечению детали: 1) после медленного охлаждения от температуры цементации (твёрдая цементация) – перлит + цементит (карбид) вторичный; перлит; феррит + перлит с возрастающим количеством феррита и уменьшающимся количеством перлита до их содержания в основном металле, то есть в структуре «сердцевины». 2) после термообработки: мартенсит отпуска + цементит (карбид) вторичный; мартенсит отпуска с уменьшающимся содержанием углерода в нём от 0,8 до примерно 0,3 %; структура «сердцевины».

  Структура «сердцевины» зависит от марки стали и её прокаливаемости: у углеродистых сталей – феррит + перлит; у низко- и среднелегированных (типа 15Х, 18ХГТ) – феррит в количестве меньшем, чем в исходной структуре, и сорбит или троостит в количестве большем, сравнительно с количеством перлита в исходной структуре; структура «сердцевины» высоколегированных цементуемых сталей (типа 12ХН3А, 18Х2Н4ВА) со сквозной прокаливаемостью – феррит + малоуглеродистый мартенсит отпуска – прочный, но не хрупкий.

  Соответственно, цементуемые стали подразделяются на 3 группы: с неупрочняемой сердцевиной, со слабо упрочняемой и с упрочняемой сердцевиной

  Свойства деталей после цементации  и термообработки: высокая поверхностная  твёрдость (62 – 64 HRC), следовательно, высокая износостойкость и контактная прочность деталей; в поверхностном слое создаются напряжения сжатия, так как удельный объём мартенсита больше удельного объёма ферритно-цементитной смеси, поэтому повышается усталостная прочность (предел выносливости) деталей.

  За эффективную толщину цементованного слоя принимают расстояние от поверхности до половины переходного слоя (≈ 0,3 %C) – этот слой закаливается при термообработке углеродистых и низко- и среднелегированных сталей.

4). Цементация и нитроцементация в «кипящем слое»

  Во ФГУП НИИАЭ (Москва) разработан метод цементации и нитроцементации в «кипящем слое». При проведении технологии ХТО в кипящем слое в качестве теплоносителя использовали алюмо-никель-магниевый сплав марки А ТУ 6-68-119-91 (в реторте) и ГИАП-10 ТУ 113ю03-2002-86 (в установке для очистки газа от серы), а также городской газ, аммиак и сжатый воздух.

  Режим  псевдоожижжения: W_kp = 0,23 м/с при 20 ºС и 0,135 м/с при 950 ºС; скорость витания w_В = 3,95 м/с при 20 ºC и 5,34 м/с при 950 ºC. Фрикционный состав частиц катализатора: массовая доля фракции диаметром 0,4 – 0,5 мм – 90% (не менее),   0,63 – 1,25 мм – 4 %. Насыпная плотность частиц 0,7 – 0,8 г/см³, плотность частиц 1,0 г/см³, средний диаметр частиц d_ср = 1 мм. Агент псевдоожижжения – сжатый воздух. Соотношение газ/воздух – ½,75.

  Цементацию  проводили при 950 ºC на деталях АТЭ, в частности. На шестернях и обоймах с направляющей втулкой в сборе привода стартеров из сталей 15ХР, 20ХН2М и др. Время выдержки с учётом времени нагрева составило 2 ч. Детали в контейнере после цементации перед закалкой в масле подстуживали до 850 – 860 ºC. В результате были получены слои толщиной h_сл = 0,65 – 0,75 мм с твёрдостью 62 – 64 HRC.

  По существующей  технологии цементацию этих же  деталей проводят в твёрдом  карбюризаторе с охлаждением на воздухе и последующим нагревом под закалку в соляной ванне в течение 20 мин и закалкой в масле. Продолжительность цикла 2 ч 25 мин. В результате получают слои с h_сл = 0,5 – 0,7 мм с твёрдостью 62 – 64 HRC. Преимущества технологии в кипящем слое очевидна.

5). Вакуумная цементация в среде ацетилена.

Н. М. Рыжов, А. Е. Смирнов, Р. С. Фахуртдинов. МГТУ им. Н. Э. Баумана. МиТОМ №9, 2004.

Аннотация.

  Рассмотрены основные закономерности  управления насыщенностью диффузионного  слоя углеродом при вакуумной цементации теплостойкой стали Х3НВФМБ-ш (ВКС5) в среде ацетилена. Показано, что требуемые характеристики диффузионного слоя обеспечены изменением временного режима подачи в рабочую камеру ацетилена.

  Вакуумная  цементация (в. ц.) в среде ацетилена – новый способ науглероживания. В. Ц. проводят в режиме циклической подачи ацетилена, при котором стадии активного насыщения при подаче углеводорода чередуют со стадиями диффузионного рассасывания, идущими при выключенной подаче газовой среды.

  Установлено,  что в. ц. особенно эффективна при насыщении теплостойких сталей 16Х3НВФМБ-ш (ВКС5) и 20Х3МВФ-ш (ЭИ415), применяемых для высоконагруженных зубчатых колёс.

  Преимущества  в. ц.: уменьшаются продолжительность  цементации, расход газовой среды;  высока воспроизводимость результатов. Эти преимущества вызваны особенностью массопереноса углерода из газовой среды на насыщаемую поверхность и особенностью химического состава сталей, содержащих 6 % карбидообразующих элементов. Поверхность полностью и практически мгновенно заполняется атомами углерода. Их количество в первые минуты науглероживания оказывается достаточным для предельного насыщения твёрдого раствора и образования на поверхности стали сплошного слоя карбидов, который в дальнейшем служит источником поступления углерода в твёрдый раствор.

  Формирование  цементованного слоя происходит  по механизму реакционной диффузии, путём частичного растворения  карбидов на пассивной стадии  цикла и их возобновления на активной стадии цикла.

  Углеродный  потенциал устанавливается и высоким, соответствующим содержанию углерода в карбидной фазе ≈ 7 %.

   При  образовании карбидов изменяются  каталитические свойства насыщаемой  поверхности. Поверхность карбидов  не обладает каталитической активностью,  поэтому не вызывает диссоциацию  молекул ацетилена. Ацетилен перестаёт диссоциировать и поставлять углерод к той части поверхности, которая закрыта карбидной фазой. Молекулы C₂H₂ покидают вакуумную камеру не разложившись. Углерод поступает в количестве, необходимом для покрытия карбидной фазой.

  Устанавливается  режим саморегулирования, исключающий  образование сажи. Подповерхностная  карбидная зона должна быть  хорошо развитой, содержать мелкие  равномерно распределённые частицы  карбидов, обеспечивать требуемую  высокую (1,2- 1,4 % ) концентрацию углерода на поверхности и твёрдость 60 – 63 HRC. Толщина карбидной зоны диффузионного слоя 0,3 – 0,4 мм и более – для того, чтобы превышать δ припуска (≈ 0,2 мм), удаляемого при зубошлифовании, которым восстанавливают показатели точности зубчатого колеса после ХТО.