Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

Каждый процесс химико-термической обработки может осуще­ ствляться разными методами (насыщением из газовой, паровой, жидкой или твердой фазы) и в самом разнообразном техническом исполнении (например, с получением активной газовой фазы в ра­ бочем пространстве печи или в отдельном генераторе и т. п.). Под­ робный анализ этих процессов можно найти в монографиях А. Н. Минкевича, Ю. М. Лахтина и Г. Н. Дубинина. Ниже в качестве примеров кратко рассмотрены некоторые типичные разновидности химико-термической обработки. Эти примеры относятся главным образом к сталям, так как химико-термическая обработка Чугу­ нов и цветных металлов и сплавов в промышленности применяет­ ся несравненно реже.

1. Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или сов­ местно этими элементами — наиболее широко используемые про­ цессы химико-термической обработки.

Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глуби­ ну. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке, резко изменяют механиче­ ские и физико-химические свойства стали.

Науглероживание (цементация)

Цементации подвергают изделия из сталей с низким содержа­ нием углерода (обычно до 0,25%).

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладыва­ ют в ящики, куда засыпают и утрамбовывают древесный уголь, смешанный с 20—25% ВаСОз. При нагревании углерод древесно­ го угля, соединяясь с кислородом воздуха, находящегося в цемен-

370

тационном ящике между частицами карбюризатора, образует окись углерода:

2 СО -v С02 + С (атомарн.).

Этот активный углерод (in statu nascendi) поглощается аустени­ том и диффундирует в глубь изделия.

Добавка ВаС О з сильно интенсифицирует процесс цементации, поставляя дополнительное количество окиси углерода и соответст­ венно активного углерода:

ВаС03 + С (уголь) -* ВаО + 2 СО и 2 СО —С02 + С (атомарн.).

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ (состоит в основном из СН4), контролируемые ат­ мосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жид­ кие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют актив­ ную газовую фазу.

Основной поставщик углерода в газообразных карбюризато­ рах—метан:

СН4 - 2 Н2 f С.

В искусственно полученной контролируемой атмосфере таким по­

ния, при 1000—1050°С. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газо­ вой цементации науглероженный слой толщиной 1,0—1,3 мм полу­ чают при 920°С за 15 ч, а при 1000°С—за 8 ч. Чтобы предотвра­ тить сильный перегрев (рост аустенитного зерна), высокотемпера­ турной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8—1,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка РезС при темпера­ туре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и серд­ цевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного ох­ лаждения цементованный слой с переменной концентрацией угле­ рода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой

рачнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные из­ делия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углеро­ да в стали (см. рис. 156).

Первую закалку проводят с нагревом до 850—900°С (выше точки Л3 сердцевины изделия), чтобы произошла полная фазовая перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеро­ дистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

После первой закалки цементованный слой оказывается пере­ гретым и содержащим повышенное количество остаточного аусте­ нита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 760 — 780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй за­ калки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуг­ леродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до темпе­ ратур 840—860°С. После закалки цементованные изделия всегда нагревают до 160—180°С для уменьшения закалочных напряжений.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повы­ шения твердости и износостойкости изделий с сохранением высо­ кой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возни­ кают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напря­ жения сжатия в поверхностном слое, достигающие 40—50 кгс/мм2, повышают предел выносливости изделия.

Низкое содержание углерода (0,08—0,25%) обеспечивает высо­ кую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Основное назначение легирования здесь — повышение прокалива­ емое™ и соответственно механических свойств сердцевины изде­ лий из цементуемой стали.

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

2 NH3 - 2 N + 6 Н.

372

В системе Fe—N при температурах азотирования могут обра­ зовываться следующие фазы (рис. 217): а-раствор азота в железе (азотистый феррит), у-раствор азота в железе (азотистый аусте­ нит), промежуточная у'-фаза пере­ менного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная е-фаза с г. п. ре­ шеткой и широкой областью гомоген­ ности (от 8,1 до 11,1% N при ком­

натной температуре).

Лродошителшос/лй азотиродаяия

у'-фаза и, наконец, е-фаза. С удалением от поверхности при азоти­ ровании железа должно наблюдаться следующее чередование сло­ ев: е —у' — а.

При понижении температуры области а-раствора и особенно е-фазы на диаграмме состояния сужаются (см. рис. 217), и поэто­ му при медленном охлаждении с температуры азотирования в а- и е-слоях должны появиться вторичные выделения у'. С удалени­

пературе (соответствующие границы при температуре азотирова­ ния— е/у' и у'/а) концентрация азота меняется скачкообразно. Эти скачки соответствуют отрезкам ab и cd на диаграмме состоя­

При температуре азотирования 600°С с удалением от поверх­

373