Цианирование и нитроцементация.

Лекция

Технологические методы повышения износостойкости деталей.

Цементация.

Цементация – это химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом. Изделия нагревают в среде, легко отдающей углерод. Цементации подвер­гают, как правило, стали с низким содержанием углерода (0,1— 0,2% С). Подобрав режим, слой насыщают углеродом до нужной глубины.

Глубиной цементации условно считают расстояние от поверхности де­тали до половины зоны, где в структуре наряду с перлитом имеется примерно такое же количество феррита. Глубина цементованного слоя обычно составляет 1—2 мм, но при желании может быть и больше.

Степень цементации — это сред­нее содержание углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2% С).

Известно, что α-железо Fe_a почти не растворяет углерода, поэтому при цементации изделия нагревают до температур выше A_s (930—950 °С). При таких температурах сталь приобретает структуру аустенита, растворяющего до 2% С. Глубина цементованного слоя зависит не только от температуры, при которой осуществлялся процесс, но и от времени выдержки при этой температуре. Обычно скорость цементации составляет примерно 0,1 мм за час выдержки. Поскольку глубина цементованного слоя редко требуется более 1,0—1,5 мм, процесс осуществляют за 8—12 ч. После цементации на поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящей из перлита и вторичного цементита. Посте­пенно, по мере удаления от поверхности, содержание углерода уменьшается и следующая зона состоит уже только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество по мере удаления от поверхности увеличивается и, наконец, структура становится отвечающей составу стали.

При больших выдержках или значительном увеличении температуры цементации может сильно вырасти зерно аустенита, что существенно ухудшает свойства цементованного слоя и потребует для исправления допол­нительной закалки. Так как посредством диффузионного насыщения удается только зафиксировать необходимый концентрационный профиль, то для получения высокой твердости и износоустойчивости поверхностного слоя при относительно вязкой сердцевине заготовки поcле цементации подвергают закалке и низкому отпуску.

Цементацию проводят в твердом, жидком и газообразном карбюри­заторах.

Цементация твердым карбюризатором. При таком способе це­ментации изделия помещают в металлические ящики, пересыпая их твердым карбюризатором — смесью древесного угля (75—80% объема) с активизаторами, которыми являются ВаСО₃ и Na₂CO₃. Ящики закрывают крышками, которые для большей герметичности обмазывают огнеупорной глиной. Затем их помещают в печь, где и нагревают до нужной температуры (900—950 °С). После оконча­ния процесса ящики вынимают из печи, охлаждают и извлекают из них детали.

Процесс цементации твердым карбюризаторомпо сравнению с газовой имеет ряд недостатков: на его осуществление требуется больше времени (много вспомогательных операций); трудно поддается автомати­зации и контролю; требуется больше обслуживающего персонала; оборудование громоздкое и т.п. Все это делает газовую цементацию более дешевым и современным процессом и сокращает применение твердой цементации.

Жидкостная цементация. Жидкостную цементацию производят в расплавленных солях, содержащих активные добавки SiC или NaCN; температура процесса в зависимости от состава ванны 820...900 °С.*

Газовая цементация. Я вляется наиболее распространенной, имеет ряд преимуществ перед другими способами. По сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе продолжительность процесса умень­шается в 1,5... 2 раза; снижается себестоимость производства; возможно регулирование глубины цементированного слоя и содержа­ния углерода в нем за счет не только длительности выдержки при высокой температуре, но и изменения количества и состава газа; возможна механизация процесса.

При газовой цементации детали нагревают в герметических печах иатмосфере углеродсодержащих газов. Для газовой цемен­тации используют природный газ (содержит до 92—96% метана) или искусственные газы, полученные пиролизом жидких угле­водородов — керосина, бензола: СН₄ = С + 2Н₂; 2СО = С + СО₂. По сравнению с окисью углерода метан — более активный кар­бюризатор.

Газовая цементация малоуглеродистых сталей (содержащих менее 0,2 % С) проводится при температурах 920 - 950 °С, при этом оптимальная концентрация углерода в модифицированном слое толщиной (0,5 - 2 мм) равна 0,8 - 0,9 % (но не более 1,2 %).

Непосредственно после цементации изде­лие не приобретает требуемых свойств. Это достигается термической обработкой. После цементации изделия подвергаются закалке с низким отпуском. Это обеспе­чивает получение в поверхностном слое изделий высокой твердости при сохра­нении мягкой и вязкой сердцевины. На поверхности после цементации возникают напряжения сжатия, увеличивающие пре­дел выносливости и долговечность деталей. В результате такой термообработки цементируемый слой приобретает структуру высокоуглеродистого мартенсита или мартенсита с карбидными включениями и небольшим количеством остаточного аустенита. Поверхностный слой после трехступенчатой XТО имеет твердость HRC 58 - 62, а матрица - HRC 25 - 35.

Цементации подвергают контактные рабочие поверхности шестерен, валов, пальцев поршней, клапанов, кулачковых шайб и других деталей. Цементации подвергают детали различных размеров. Некоторые изготовители тяжелых зубчатых редукторов цементируют зубья колес диаметром более 1 м. Долговечность цементированных деталей уве­личивается в несколько раз. Степень упрочнения зависит от марки стали, содержания углерода в цементированном слое, глубины цементированного слоя, прочности, вязкости и твердости матрицы.

Азотирование.

Азотирование это химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается азотом. Азотированная по­верхность имеет большую твердость и обладает устойчивостью про­тив коррозии на воздухе, в пресной воде, в паровоздушной среде, а при соответствующем подборе состава стали и в газовой среде.

Качество азотированного слоя определяется соотношением в нем структурных фаз, зависящим от состава стали, температуры азоти­рования, времени выдержки и степени диссоциации аммиака.

При азотировании изделия загружают в герметические печи, куда поступает аммиак NH₃ с определенной скоростью, который при нагреве диссоциирует по реакции 2NH₃ — 2N + 6Н. Атомарный азот, обладающий высокой активностью, поглощается поверхностью и диффундирует в глубь детали. Фазы, получающиеся в азотиро­ванном слое углеродистой стали, не обеспечивают достаточно высо­кой твердости и образующийся слой хрупкий. Поэтому для азотировании применяют легированные стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан и другие элементы. Нитриды этих элементов очень дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью. Типовыми азотируемыми сталями являются 38ХМ10А и 35ХМ10А. Твердость поверхностного слоя после азотирования таких сталей и медленного охлаждения изделия дости­гает HV 1200.

В среднем азот при температуре 500 °С диффундирует вглубь со скоростью 0,01 мм/ч; для получения азотированного слоя толщи­ной 0,6...0,7 мм требуется 60...70 ч.

В зависимости от условий работы деталей различают две разновидности азотирования: для повышения поверхностной твердости и износостойкости (“твердостное” азотирование) и для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование).

При “ твердостном” азотировании детали азотируют при 500—520 °С, процесс продолжается от 21 до 90 ч (скорость азотирования составляет около 0,01 мм в час). Содержание азота в поверхностном слое достигает 10—12%, толщина слоя -- порядка 0,3—0,6 мм, твердость достигает 1000—1200 HV. Азотированию подвергают цилиндры моторов и насосов, шестерни, пресс-формы для литья под давлением, штампы, пуансоны и т.д.

При антикоррозионном азотировании азотированию подвергают изделия как из легированных, так и из углеродистых сталей. В этом случае азотирование проводят при 650—700 °С. Скорость диффузии увеличивается, продолжительность процесса сокращается до нескольких часов. На поверхности изделий образуется слой e-фазы (0,01—0,03 мм), который обладает высокой стойкостью против коррозии.

Азотирование применяют для изделий, от которых требуется вы­сокая циклическая прочность, большая твердость при повышенных температурах в сочетании со стойкостью к коррозии, а также высо­кая износостойкость. К. таким изделиям относятся коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, цилиндры авто- и авиа­двигателей, поршневые кольца, седла клапанов двигателей, ше­стерни авиационных редукторов, шпиндели расточных, шлифоваль­ных и других станков, зубчатые рейки, борштанги, эксцентрики.

Износостойкость шеек азотированных коленчатых валов по дол­говечности превосходит амортизационный срок службы двигателя. Азотирование стальных гильз и чугунных цилиндров уменьшает скорость их изнашивания в 8...20 раз. Зубчатые рейки станков, изготовленные из стали 40Х с твердостью после азотирования HRC 55...53, в 4...5 раз долговечнее реек из стали 20Х, цементи­рованных и закаленных до HRС 60...62. Азотирование успешно применяют для редукторных передач большой мощности.

Азотирование — окончательная, завершающая операция при изготовлении детали. Детали подвергают азотированию после окончательной механической и термической обработок — закалки с высоким отпуском. После такой термической обработки в деталях полу чается структура сорбита, которая сохранится в сердцевине изделия и после азотировании и обеспечит повышенную прочность и вязкость.

Процесс азотирования ионизи­рованным азотом в плазме тлеющего разряда.

В последние годы Ю. М. Лахтиным и Я. Д. Коганом разработана технология азотирования с повышенной в 1,5...2 раза скоростью процесса путем применения различных электрических газовых разрядов. Распространение получает процесс азотирования ионизи­рованным азотом в плазме тлеющего разряда. Сущность метода состоит в том, что в разреженной азотсодержащей атмосфере между катодом (деталью) и анодом возбуждается разряд, и ионы азота, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры на­сыщения. Продолжительность процесса от нескольких минут до 24 ч. Разработанная установка ионного азотирования предназначена для упрочнения коленчатых и распределительных валов, гильз цилиндров двигателей, зубчатых колес, режущего и штампового инструмента и других деталей.

Сравнивая цементацию и азотирование, можно отметить следующее:

1) продолжительность цементации меньше продолжительности азотирования;

2) упрочненный цементацией слой получается более глубоким и допускает большие удельные давлении при эксплуатации;

3) твердость цементованного слоя в 1,5—2 раза меньше азотированного и сохраняется при нагреве только до 180 – 250 ^оС, в то время как азотированный слой сохраняет свою твердость до 600 – 650 ^оС.

При азотировании детали увеличиваются в размерах, а в ряде случаев и деформируются (коробятся). Азотируемые участки деталей подвергают либо полированию, которому они хорошо поддаются, либо шлифованию.

Цианирование и нитроцементация.

Цианированием называется ХТО, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом. Цианированный слой обладает высокой твердостью, сопротивлением износу. Повышаются также усталостная прочность и коррозионная стойкость. Основными характеристиками физико-химического состояния упрочненного при цианировании поверхностного слоя являются твердость, толщина, а также зафиксированные значения концентраций углерода и азота. На эти характеристики особое влияние оказывает температура процесса (при повышении температуры содержание углерода в поверхностном слое растет, а при ее снижении - увеличивается концентрация азота). Так как цианирование является по сути дела суперпозицией цементации и азотирования, то можно сказать, что при ысокой температуре процесс больше приближается к цементации, а при низкой - к азотированию, поэтому цианирование разделяют на высокотемпературное (800 - 950 °С) и низкотемпературное (500 - 600 °С). Совместная диффузии углерода и азота происходит быстрее, чем каждого из этих элементов в отдельности, поэтому продолжительность цианирования обычно 0,5—2 ч.

При высокотемпературном цианировании поверхность насыщается больше углеродом, чем азотом, т.е. этот процесс приближается к цементации. После такого цианировании изделия подвергают закалке с низким отпуском. Поверхностный слой после глубокого цианирования содержит 0,8 - 1,2% С и 0,2—0,3% N.

Низкотемпературному цианированию подвергают детали, уже прошедшие термическую обработку, как и при азотировании. При таком цианировании поверхность насыщается главным образом азотом, глубина слоя составляет 0,015—0,03 мм.

По аналогии с цементацией цианирование подразделяют на жидкое и газовое, газовое цианирование называют нитроцементацией.

Жидкое цианирование, обеспечивающее высокую производительность, наиболее часто используют для обработки сталей. Его проводят в расплавленных цианистых солях, являющихся поставщиками активных атомов углерода и азота, например Na(CN) или Ca(CN)₂.

Низкотемпературному цианированию подвергают режущий инструмент из быстрорежущей стали (фрезы, метчики, сверла, зенкеры), а также углеродистые стали. Сущность процесса цианирования углеродистых сталей состоит в насыщении сталей азотом и углеродом, которое осуществляется в цианистых солях (40 % KCN + 60 % NaCN) при пропускании сухого воздуха. В результате такой обработки, которая реализуется при 570 °С в течение 0,5 - 3 ч, на поверхности детали формируется тонкий (10 - 15 мкм) карбонитридный слой Fe₃(CN), менее хрупкий, чем чистые карбиды и нитриды (Fe₃C и Fe₃N) и в то же время обладающий хорошим сопротивлением износу. Между этим слоем и матрицей образуется подслой азотистого твердого феррита (на легированных сталях твердость достигает 600 - 1000 HV) толщиной 200 - 500 мкм.

Высокотемпературное цианирование применяют для обработки простых и легированных средне- и низкоуглеродистых сталей. Насыщение обычно проводят в расплавленных солях следующих составов: 40 % NaCN, 40 % NaCl, 20 % Na₂CO₃ (температура расплава 820 - 850 °С) или 6 % NaCN, 80 % BaCl₂, 14 % NaCl (900 - 950 °C). Увеличение содержания цианистых солей способствует повышению концентрации С и N в поверхностном слое. Толщина модифицированной зоны d зависит от состава расплава, температуры и продолжительности t процесса. Средняя скорость высокотемпературной нитроцементации составляет 80 - 100 мкм/ч. Для конструкционных сталей d = 15 - 500 мкм, а твердость превышает HRС_э 58 (для быстрорежущих сталей - 10 - 60 мкм и HRС_э 60 - 72 соответственно). Цианированный слой по сравнению с цементированным обладает большей твердостью и более высоким сопротивлением износу и коррозии.

Главный недостаток жидкостного цианирования — ядовитость цианистых солей. Этого недостатка нет при газовом цианировании.

Нитроцементация - газовое цианирование проводят в газовых смесях, содержащих 70—80% цементирующего газа и 20—30% аммиака. Состав газа и температура определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры процесса и продолжительности выдержки.

По сравнению с газовой цементацией нитроцементания имеет ряд преимуществ: меньше деформация и коробление изделий, больше сопротивление износу и коррозионная стойкость.

Нитроцементация осуществляется следующим образом: в контейнер загружается карбюризатор, в состав которого входят цианистые и углекислые соли (например 30- 40% K₄Fe(CN)₆, 10 % Nа₂CO₃ и древесный уголь), которые, при нагревании разлагаются с выделением CO₂ и азота. Процесс насыщения может лимитироваться кинетикой химических реакций, доставкой CO₂и азота к поверхности детали или диффузией C и N в матрицу, поэтому производительность такого способа невысока.

Обработку деталей производят в среде науглероживающих и азотирующих газов (например, аммиак 2 – 6 % с пропаном или светильным газом). 208-214 c.[5].