6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ (МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ) ЦЕМЕНТУЕМЫЕ (НИТРОЦЕМЕНТУЕМЫЕ) ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Цементацию (нитроцементацию) широко применяют для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые стали. Содержание

Рис. 160. Схема изменения предельной растворимости углерода в аустените (линия и эвтектоидной концентрации (точка в сталях типа ХГТ (штриховые линии): — температура цементации; А - аустенит; Ф — феррит; карбид; С и предел насыщения аустенита углеродом для сплавов и сталей типа легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины. При этом следует иметь в виду, что карбидообразующие элементы уменьшают растворимость углерода в аустените (рис. 160). Это способствует образованию в цементованном слое карбидов, при меньшем содержании углерода, обеднению аустенита легирующими элементами и уменьшению прокаливаемости цементованного слоя, как следствие этого, ухудшению механических свойств. Марганец и хром, которыми нередко легируют цементуемые стали, повышают прокаливаемость сердцевины и в меньшей степени цементованного слоя. Сильно повышает прокаливаемость цементованного слоя молибден.

После цементации, закалки и низкого отпуска цементованный слой должен иметь твердость а сердцевина Сердцевина цементуемых сталей должна обладать высокими механическими свойствами, особенно повышенным пределом текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение предела контактной выносливости, предела выносливости при изгибе, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.

Для измельчения зерна цементуемые стали микролегируют и образующими дисперсные нитриды карбопитриды или карбиды задерживающими рост зерна аустенита. Для тяжело-нагруженных деталей, цементуемых (нитроцементуемых) на толщину более мм, следует применять стали, легированные никелем (до повышающим пластичность мартенсита, и молибденом (до резко повышающим прокаливаемость цементованного слоя. Никель и молибден в отличие от марганца и хрома не склонны к внутреннему окислению, которое снижает прокаливаемость цементованного слоя и ухудшает механические свойства.

В табл. 6 приведены состав, режимы термической обработки и механические свойства наиболее часто применяемых цементуемых сталей, предназначенных для изготовления изделий,

работающих на износ в условиях знакопеременных и ударных нагрузок. Режимы термической обработки и свойства сталей в табл. 6 даны в соответствии с ГОСТ 4543-71 и характерны только для образцов (при приемке стали) и не могут быть использованы применительно к изделиям.

Свойства стали (детали) определяет конечная термическая и химико-термическая обработка, принятая на том или другом заводе.

Хромистые стали. Хром — сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. В конструкционных сталях он частично растворен в феррите, частично в цементите или образует специальные карбиды (см. рис. 96). Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину мм. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение (рис. 161, а); при закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению о углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву (но меньше, чем углеродистая) и при цементации может иметь повышенное содержание углерода в поверхностном слое. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства (сталь Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. В связи с малой прокаливаемостью их используют только для изготовления сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали, характерные составы и свойства которых приведены в табл. 6.

Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита (см. рис. 161, в) в области перлитного и промежуточного превращения обеспечивает высокую прокаливаемость цементованного слоя и сердцевины хромоникелевой стали. Это же позволяет закалить крупные детали с охлаждением в масле, а в некоторых случаях и на воздухе.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом (или молибденом) дополнительно повышает устойчивость переохлажденного аустенита, а следовательно, и прокаливаемость. Сталь

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Рис. 161. (см. скан) Диаграммы изотермического распада переохлажденного аустенита для цементуемых сталей (цифры у кривых — количество распавшегося аустенита)

или соответствующую ей сталь о вольфрамом (см. табл. 6) применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей.

Вследствие высокой устойчивости переохлажденного аустенита детали сечением до 150—200 мм из стали закаливаются при охлаждении на воздухе, что еще больше уменьшает коробление. Критический диаметр прокаливаемости (95 % мартенсита) 100 мм, а порог хладноломкости — 80 °С (выше излом полностью вязкий).

Стали и др. (см. рис. 161, в, г) при закалке в масле приобретают в

сердцевине структуру нижнего бейнита или низкоуглеродистого мартенсита, что приводит к значительному упрочнению. В результате цементации повышается устойчивость переохлажденного аустенита в поверхностном слое, особенно в зоне промежуточного превращения, поэтому при закалке в масле на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, обладающий твердостью Однако следует иметь в виду, что при насыщении стали углеродом понижается температура мартенситного превращения в поверхностном слое и возрастает количество остаточного аустенита, особенно в сталях Остаточный аустенит понижает твердость, а в некоторых случаях сопротивление износу и предел выносливости. Снижение количества остаточного аустенита достигается обработкой холодом (от —100 до -120 °С) после закалки или применением промежуточного высокого отпуска с последующей закалкой при возможно более низкой температуре. При высоком отпуске из аустенита выделяются легированные карбиды. При последующем нагреве под закалку значительная часть карбидов остаётся вне твердого раствора, а менее легированный аустенит при охлаждении превращается в мартенсит, и поэтому количество остаточного аустенита уменьшается, а твердость повышается. Сталь после такого высокого отпуска характеризуется меньшей прокаливаемостью при последующей закалке. При обработке холодом уменьшается количество остаточного аустенита и повышается твердость, однако происходит некоторое снижение предела выносливости, износостойкости и вязкости по сравнению с высоким отпуском.

Сталь из-за высокой устойчивости аустенита в перлитной области (см. рис. 161, г) не снижает твердости при отжиге. Для возможности обработки резанием сталь подвергается высокому отпуску при после которого она получает твердость

Хромомарганцевые стали. Марганец — сравнительно дешевый элемент, применяется как заменитель в стали никеля. Как и хром, марганец растворяется в феррите и цементите. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость, особенно доэвтектоидной стали (рис. 161, б).

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми. Введение небольшого количества титана, образующего труднорастворимые в аустените карбиды уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву.

В автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении применяют стали Эти стали склонны к внутреннему окислению при газовой цементации, что снижает прокаливаемость слоя и предел выносливости, поэтому широко применяют сталь легированную молибденом.

Таблица 7 (см. скан) Химический состав сталей, для цементации и нитроцементации

Молибден, повышая прокаливаемость слоя, устраняет вредное влияние внутреннего окисления и обеспечивает максимальную его твердость.

Стали типа ХГТ вследствие низкой прокаливаемости зоны внутреннего окисления могут применяться для высоконагруженных деталей лишь при условии принятия специальных технологических мер, исключающих вредное влияние зоны внутреннего окисления.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

На ВАЗе широко применяют стали а также содержащие по После закалки и низкого отпуска эти стали имеют

В настоящее время применяется ряд новых сталей для цементации (нитроцементации), обладающих мелким зерном, глубокой прокаливаемостью слоя и сердцевины (табл. 7).

После цементации эти стали имеют высокие механические свойства. Например, сталь имеет предел прочности при изгибе после нитроцементации и предел ограниченной выносливости значения которых значительно выше, чем у стали Как показал опыт, ресурс работы агрегатов автомобильных, тракторных и угольных комбайнов, изготовленных из этих сталей, значительно возрос.

Стали, легированные бором. Для цементации (нитроцементации) используют также стали, содержащие бор (в количестве

0,001-0,005 %). Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения и поэтому увеличивает прокаливаемость стали.

Повышение устойчивости аустенита связано с тем, что бор, присутствуя преимущественно по границам зерен, тормозит образование зародышей перлита. Однако при повышенном содержании бора образуются бориды железа, уменьшающие устойчивость аустенита.

Бор повышает прокаливаемость лишь доэвтектоидных сталей, содержащих , но не улучшает прокаливаемость цементованного слоя.

Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву, поэтому такая сталь, как правило, должна быть наследственно мелкозернистой (номер 7—10). Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость к перегреву. В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь а также сталь Механические свойства стали