Классификация химико-термической обработк

  Химический состав  стали  16Х3НВФЬБ-ш (ВКС5) – 0,18 % C; 2,9 % Cr; 1,3 % Ni; 0,68 % Si; 1,2 % W; 0,55 % Mo; 0,51 % V; 0,51 % Nb. Продолжительность цементации 90 – 475 мин, температура – 940, 960, 980 ºC, состав газовой среды: 80 % (об.) C₂H₂ + 20 % (об.) H₂ .Давление в камере 5,3 Гпа (4 мм рт. Столба). Газовую среду в реакционную камеру подавали по циклическому режиму: τ_а = 2; 4; 5 мин и τ_п от 5 до 40 мин, что приводило к изменению соотношения времени стадий τ_а: τ_п и числа циклов.

 

 

  Эффективную толщину слоя определяли на микроскопе NEOFOT – 21. Насыщенность слоя определяли по концентрационным кривым, полученным послойным анализом, выполненным спектральным методом на оптико-эмиссионном анализаторе фирмы    OBLF SPEKTROMETRIE GMBH.

  Микроструктура: карбидная зона; эффективный слой. Образование поверхностной зоны карбидов в процессе насыщения положительно влияет на этот процесс, ускоряя его и стабилизируя, переводя в режим саморегулирования. Однако, сохранение карбидной корки в конце процесса на готовой детали нежелательно. В связи с этим, циклические режимы необходимо проводить с увеличением пассивной стадии на последних циклах.

  Для сопротивления заеданию, которому подвержены зубчатые  передачи, работающие на высоких  окружных скоростях и удельных нагрузках, требуется повышенная насыщенность цементованного слоя углеродом с большой долей частиц карбидной фазы на рабочей поверхности – циклические режимы с сокращённым временем пассивной стадии цикла и увеличенным числом циклов: h_{эффект.} = 1,1 мм и насыщенной карбидной зоной – 18 циклов: 16 ц. 5/10 мин, 2ц. 5/25 мин.

  Для сопротивления контактной  усталости -- обеспечить протяжённую и хорошо развитую карбидную зону с мелкими и равномерно распределёнными частицами карбидов и плавным снижением твёрдости по толщине слоя: режимы с увеличенным временем пассивной стадией стадии цикла. Создаются условия для растворения образовавшихся на активных стадиях цикла карбидных частиц. В результате усиливается плотность диффузионного потока углерода в глубь металла, растёт толщина карбидной зоны, но с невысокой плотностью частиц карбидной фазы. Увеличение времени пассивной стадии способствует снижению доли поверхности, закрытой карбидной коркой и устранению пересыщения поверхности. Для таких режимов характерны меньшее число циклов: слой толщиной h_{эффект.} = 1,1 мм и карбидной зоной с невысокой плотностью карбидных частиц может быть получен за 14 циклов: 10 ц. 5/10 мин., 2 ц. – 5/20 мин., 1 ц. – 5/25 и 1 ц. -5/50 мин.

  Вакуумная цементация способна удовлетворить требованиям, предъявляемым к строению карбидной зоны теплостойкой стали для каждого из этих эксплуатационных свойств – сопротивления заеданию и сопротивления контактной усталости.

 

2. Азотирование стали.

  Азотированием называется диффузионное  насыщение поверхности деталей азотом.

  В основном  применяют газовое азотирование, используя смесь NH₃ (25 – 60 %) + H₂.

На диаграмме Fe – N (Рис. 4) присутствуют следующие фазы: α – азотистый феррит с

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.

 

 

Диаграмма состояния  Fe – N.

С максимальным содержанием азота  при температуре эвтектоидного превращения 591 ºC 0,1 % и с минимальным содержанием ≈ 0,01 % при 20 ºC; γ – азотистый аустенит, претерпевающий эвтектоидное превращение по реакции γ ↔ α + γ^|; γ^| - химическое соединение Fe₄N (5,9 % N) с областью гомогенности (5,7 – 6,1 % N); ε – химическое соединение Fe_2-3 N с содержанием азота 8 – 11,2 %.

  Назначение азотирования – повышение поверхностной твёрдости, износостойкости, контактной прочности, жаростойкости (до 450 – 500 ºC), коррозионной стойкости в речной и морской воде, в атмосфере и других слабо агрессивных средах, усталостной прочности (σ _сж. В слое 600 – 675 Мпа, σ_-1 ↑ на 30 – 40 % и ↑на 100 % при наличии острых надрезов и резких переходов в сечении).

  В практике  азотирования применяют два вида  процесса: 1) износостойкое азотирование – для «нитраллоев» 2) – антикоррозийное азотирование – для любых сталей.

 1). Износостойкое азотирование применяется для деталей из сталей типа 38ХМЮА, 38Х2МЮА, 38ХМФА и др, то есть для «нитраллоев». Это объясняется тем, что высокая твёрдость и высокая износостойкость достигается лишь при азотировании «улучшаемых» сталей, легированных хромом, молибденом, алюминием, ванадием: так как высокой твёрдостью характеризуются лишь нитриды хрома, молибдена, алюминия и ванадия. На железе получается азотированный слой с твёрдостью 300 – 350 HV. Другой особенностью износостойкого азотирования является то, что высокая твёрдость поверхностного слоя, равная 1000 – 1100 HV , и сопутствующие ей свойства обеспечиваются при низкой температуре азотирования (500 – 520 ºC), так как при более высокой температуре  укрупняются нитриды и карбонитриды и снижается твёрдость.

  До азотирования  назначается «улучшение» -- полная  закалка и высокий отпуск –  на структуру сорбита отпуска  с целью создания прочной и  пластичной опоры для тонкого, твёрдого, но хрупкого азотированного слоя

  Третья особенность является недостатком азотирования: благодаря низкой температуре скорость процесса мала, например, слой толщиной 0,2 – 0,4 мм получается за 30 – 60 часов.

  К достоинствам  азотирования относится то, что  после азотирования термическая  обработка не нужна, так как получается слой со всеми выше перечисленными свойствами, присущими износостойкому азотированию. На азотирование поступают детали, прошедшие механическую обработку, включая шлифование, с оставленным припуском на окончательное шлифование и доводку изделия после азотирования. Участки поверхности, не подлежащие азотированию, защищаются электролитическим лужением (или меднением) на толщину слоя 0,01 – 0,015 мм или жидким стеклом.

  При температуре азотирования (ниже 591 ºC) образуются следующие фазы (структуры) – ε, γ^’ , α; после охлаждения (в потоке NH₃ до 200 ºC в печи, далее на воздухе) – ε + γ^’; γ^’; α + γ^’  ; α, где ε – (M,Fe)_2-3 NC, γ’ – (M,Fe)₄ NC, α – твёрдый раствор Cr, Mo, Al, V и др. элементов, кроме S в α – Fe, M – Cr, Mo, Al, V и др. легирующие элементы, нитриды Cr, Mo, Al, V.

  Разработан способ сокращения длительности износостойкого азотирования – ступенчатое азотирование, заключающееся в том, что вначале азотируют при 500 – 520 ºC, затем при 550 – 570 ºC. В результате, продолжительность ХТО сокращается в 1,5 – 2 раза, а твёрдость практически не снижается.

 2). Антикоррозийное азотирование производится при температурах выше эвтектоидной в течение короткого времени до получения слоя толщиной 0,03 – 0,05 мм и применяется для сталей любых марок.

  При температуре азотирования  выше 591 ºC образуются следующие фазы (структуры): ε, γ, γ^’ , α, а после охлаждения до нормальной температуры – ε + γ^’ ; γ ^‘; (α + γ^’) – эвтектоид, содержащий 2,35 % N; α + γ^’ ; α. Присутствуют также нитриды Cr, Mo, Al, V.

  Режущие  свойства и твёрдость инструмента  из быстрорежущей стали, не  подвергающегося переточке по  всем граням (свёрла, Развёртки, метчики, фрезы), можно повысить низкотемпературным азотированием при 550 – 560 ºC в течение 10 – 30 минут. Твёрдость азотированного слоя – 100 – 1100 HV и толщина слоя – 0 .03 – 0,05 мм (Ю. М. Лахтин).

    3). Ионное азотирование. Осуществляется в разреженных газовых средах (500 – 1300 Па) NH₃ или N. Детали являются катодом (подключаются к минусу), анодом служит контейнер (подключается к плюсу источника тока). Возникает тлеющий разряд – один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах, важной особенностью которого является то, что в аномальном режиме горения он занимает всю площадь катода, не пропуская неровностей. Тлеющий разряд происходит при низкой температуре катода и отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен Вольт) катодным падением. Ионы газа бомбардируют поверхность детали и нагревают её до температуры насыщения. Два процесса следуют один за другим: 1) очистка поверхности катодным распылением, 2) собственно диффузионное насыщение азотом. Температура ХТО 470 – 580 ºC, напряжение 400 – 1100 В, продолжительность процесса 1 – 24 часа.

  Достоинства ионного азотирования: сокращается время, уменьшаются деформации, повышается экономичность ХТО, получается диффузионный слой регулируемого состава и строения.

  4). Азотирование в жидких средах – «Тенифер-процесс». (Tenifer: tenux – твёрдый,    nitrogenium – азот, ferrum – железо). Тенифер-процесс осуществляется при 570 ºC в расплаве солей: 85 % суммы (40 % KCNO + 60 % NaCN), 15 % Na₂CO₃ или 53 % карбамида (NH₂CO) + 40 % Na₂CO₃ , через последний пропускают сухой воздух. В сталь диффундирует азот. Получают поверхностный слой следующего состава: 7 – 15 мкм (FeM)_2-3 (NC), ниже – α + γ^’. Общая толщина слоя 0,15 – 0,5 мм. В результате повышается предел усталости, понижаются деформация и коробление деталей.

 

3. Цианирование (нитроцементация) сталей.

  Это процесс совместного диффузионного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.

  Применяют  твёрдое, жидкостное и газовое  азотирование.

  1). Твёрдое цианирование осуществляется так же, как и твёрдая цементация, Различие в том, что в карбюризатор добавляют мочевину или другое вещество, содержащее азот.

  Жидкостное  цианирование производится в  расплаве солей: 8 % NaCN, 82 % BaCl₂ , 10 % NaCl, зеркало ванны покрывают графитом. Детали после извлечения из ванны охлаждают на воздухе, после чего обязательна термообработка. За 1,5 – 6 часов получают слой  толщиной 0,5 – 2 мм.

  2). Газовое цианирование, называемое нитроцементацией, выполняют в смеси газов NH₃ и CH₄ при 550 – 600 ºC, вместо износостойкого азотирования.

  В зависимости  от температуры, цианирование  подразделяется на высокотемпературное,  среднетемпературное и низкотемпературное.

   A). Высокотемпературное цианирование (твёрдое и жидкостное) применяют для цементуемых малоуглеродистых сталей. Особенностью является то, что при высоких температурах – 930 – 950 ºC поверхность в большей степени насыщается углеродом, в меньшей азотом: 0,8 – 1,2 % C и 0,2 – 0,3 % N.

  Свойства поверхностного слоя и детали в целом выше, чем после цементации, а процесс происходит быстрее.

   Термическая обработка такая  же, как после цементации: полная  закалка или нормализация   (для «ответственных» деталей или деталей с наследственным крупным зерном), неполная закалка и низкотемпературный отпуск.

  B). Низкотемпературное азотирование – газовую нитроцементацию назначают улучшаемым азотируемым сталям (желательно «нитраллоям»), предварительно для деталей назначается «улучшение» - полная закалка и высокий отпуск, после данного вида ХТО термообработка не нужна, как и после азотирования. Поверхностный слой в большей степени насыщается азотом (1 %), а не углеродом (0,2 – 0,4 %).

  Свойства поверхностного  слоя после нитроцементации несколько  ниже, чем после азотирования.

 C). Среднетемпературное цианирование осуществляют при 820 – 860 ºC в расплавленных солях, содержащих 25 % NaCN и 75 % (NaCl + Na₂CO₃ ). Поверхностный слой толщиной 0,15 – 0,35 мм образуется за 30 – 90 минут и примерно в равной степени насыщается углеродом и азотом (0,7 % C   0,8 – 1,2 % N).

  Термическая обработка после среднетемпературного цианирования: закалка из цианистой ванны, отпуск при 180 – 200 ºC, твёрдость поверхностного слоя 58 – 62 HRС . Применяется для мелких деталей.

  Преимущества цианирования  в сравнении с цементацией:  сокращение продолжительности процесса, красивый «товарный» вид изделия, повышение коррозионной стойкости во влажной атмосфере, в речной и водопроводной воде, более высокие механические и эксплуатационные свойства поверхностного слоя – твёрдости, износостойкости, так как в мартенсите растворён не только углерод, но и азот, вместо карбидов присутствуют карбонитриды.

  Преимущества нитроцементации  в сравнении с азотированием  – сокращение продолжительности  ХТО.

  3). В промышленности разрабатываются и применяются новые прогрессивные виды ХТО: например, нитроцементация в кипящем (ПОС) слое. Её выполняли для деталей магнето из сталей 08кп, 10кп, 15Л, 20 и др. Продолжительность процесса 1,5 ч. Получены слои толщиной 0,30 – 0,35 мм с твёрдостью 59 – 61 HRC . (По ТУ – h_сл. = 0,2 – 0,25 мм, твёрдость 59 – 61 HRC).

  По существующей технологии  цианирования в жидких средах  с использованием ядовитых расплавов  цианистых солей этих же деталей  АТЭ в указанном интервале  температур и последующей закалке и низком отпуске получены слои толщиной 0,10 – 0,25 мм и твёрдостью 59 – 61 HRC.

  Преимущества новой технологии  очевидны: результаты анализа показали, что технологии ХТО в кипящем  слое отвечают современным требованиям  – они высокопроизводительны,  экологически чисты и экономически  выгодны (при цементации в ПОС экономия электроэнергии составила 50 кВт на каждый цикл и сокращение его продолжительности на 20 – 25 мин.).

  На заводе ОАО «Завод им. А. М. Тарасова» (г. Самара) создан и внедрён специализированный термический участок, состоящий из двух комплексов с экологически чистой технологией и модернизированным оборудованием для реализации нитроцементации и цементации стальных деталей АТЭ в кипящем слое, отвечающий санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам.

  4). Для инструментов некоторых видов применяют низкотемпературное цианирование, которое улучшает их режущие свойства. После закалки и отпуска инструмент дополнительно обрабатывается в жидких цианосодержащих солях при 520 – 580 ºC в течение непродолжительного времени. В результате на поверхности инструмента образуется слой, насыщенный C и N ( толщиной в несколько мкм), значительно повышающий его износоустойчивость (А. П. Гуляев).

 

4.  Диффузионное борирование.

  Диффузионным борированием называется насыщение поверхности стальных деталей бором с последующей закалкой – для повышения их твёрдости, износостойкости и жаростойкости (≈ до 950 ºC).

  Бор, как углерод и азот образует с железом твёрдый раствор внедрения, механизм диффузии бора в железе междоузельный. Растворимость бора в α-Fe и γ-Fe  < 0,15 %.

  В промышленности применяют твёрдое, жидкое и газовое борирование.

  A). При твёрдом борировании изделия укладывают в стальные ящики, засыпают со всех сторон порошком, содержащим бор (ферробор или карбид бора, измельчённых в шаровых мельницах до величины частиц 100 меш,) и нагревают в печи до 950 – 1050 ºC с выдержкой 5 – 10 ч.

  B). Жидкое Борирование может быть двух видов – без электролиза и с электролизом.