6.2. Диффузионное насыщение углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами - наиболее распространенные в промышленности процессы химикотермической обработки.

Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют в стали, образуя слои значительной толщины.

Цементация стали. Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией.

Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8-1%, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу. Твердость на поверхности Сердцевина детали, содержащая , остается вязкой, а поверхности, не подлежащие цементации, защищаются гальваническим омеднением. Толщина медного слоя составляет 0,02 — 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т. д.

Карбюризаторы. Исходную среду для цементации (науглероживания) принято называть карбюризатором. В основном применяют два способа цементации: в твердом и в газовом карбюризаторе. Несмотря на различные названия, процесс цементации в твердом и газовом карбюризаторе идет через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20-25% углекислого бария для интенсификации процесса и для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковываются в контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи до При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а взаимодействует с углем, образуя новые порции

Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (состоящий

Рис. 6.3. Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали, Х50: 1 — заэвтектоидная зона; 2 — эвтектоидная зона; 3 — доэвтектоидная зона

почти полностью из метана), контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую среду. Основная ведущая реакция при наличии метана

В ряде случаев (эндотермическая контролируемая атмосфера) при наличии в газе возможна также реакция . В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может быть науглероживающей, обезуглероживающей и нейтральной. Нейтральному составу газовой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту концентрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируемой атмосферы. Следовательно, науглероживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше углеродного потенциала газовой смеси при данной температуре.

Структура цементованного слоя. Типичная структура цементованного слоя на поверхности низкоуглеродистой стали после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 6.3. Обычно ее сопоставляют со схемами на рис. 6.4. Наружная часть слоя, содержащая больше 0,8% С, имеет структуру заэвтектоидных сталей-перлит и вторичный цементит, который при медленном охлаждении выделяется на границах аустенитных зерен в виде оболочек (на шлифе сетка). Средняя часть слоя, имеющая эвтектоидную концентрацию, состоит из перлита. Далее по направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается, структура соответствует доэвтектоидной стали, причем количество перлита уменьшается при приближении к сердцевине.

Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя (см. рис. 6.4).

За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность.

Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.

Рис. 6.4. Участок диаграммы Изменение содержания углерода и структуры по толщине цементованного слоя (схема): — температура цементации; - температура нагрева при первой закалке; — температура нагрева при второй закалке

ТАБЛИЦА 6.1. Зависимость средних скоростей газовой цементации низкоуглеродистых сталей от температуры и толщины слоя

Процесс газовой цементации идет быстрее, так как не приходится нагревать ящик с карбюризатором (табл. 6.1). Кроме того, процесс газовой цементации легко регулируется и автоматизируется. На заводах работают автоматизированные агрегаты для цементации, которые регулируют процесс по углеродному потенциалу.

Термическая обработка после цементации. Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали режим упрочняющей термической обработки может быть различен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес - высокую прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50 °С выше температуры цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали установится аустенитное состояние (см. рис. 6.4). Нагрев до температур, лишь немного превышающих вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре как видно на рис. 6.4, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры с превышением на 30-50 °С температуры (см. рис. 6.4). В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160-200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Режим термической обработки ответственных деталей машин после цементации (схема): I — цементация; II — двойная закалка; III — низкий отпуск

После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. Если для цементации выбрана углеродистая сталь, то из-за малой прокаливаемости в сердцевине получится сорбитная структура; если же цементировалась легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Во всех случаях из-за низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.

Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают более простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска

Рис. 6.6. Режим термической обработки при однократной закалке после цементации: I - цементация; II — закалка; III — отпуск; IV — подстуживание

Если для цементации выбирают природно мелкозернистые стали и содержание углерода на поверхности близко к эвтектоидному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое. Однократная закалка широко используется на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе. Выгодно и удобно в этом случае закалку проводить после цементационного нагрева (рис. 6.6). Цементованные детали подвергают шлифованию.