Диффузионное насыщение сплавов углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами – широко распространенные в промышленности процессы ХТО.

6.2.1.Цементация стали.

Цементацией (науглероживанием) называется ХТО, заключающаяся в диффузном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде – карбюризаторе.

Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас₃ (930-950^о С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Для цементации используют низкоуглеродистые (0,1-0,18% С), чаще легированные стали (15Х, 18ХГТ, 15ХГН2ТА и др.).

Детали поступают на цементацию после механической обработки с припуском на шлифование (50-100 мкм). Во многих случаях цементации подвергают только часть детали: когда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем малопористой меди (0,02-0,05 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными смазками.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны:

заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита;

эвтектоидную, состоящую из пластинчатого перлита;

доэвтектоидную – из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает.

При высокой концентрации углерода (более 1,2-1,3%) на поверхности слоя образуется грубая цементитная сетка или цементит выделяется в виде игл, что отрицательно сказывается на прочности диффузионного слоя.

Основные виды цементации – твердая и газовая.

Газовая цементация является более совершенным технологическим процессом, чем твердая. Она имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (СН₄) и пропан-бутановых смесей, а также жидких углеводородов.

Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является

2СО->СО₂+С_ат; С_ат->γFe(C)

(процесс ведут при 910-930^оС 6-12 ч).

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки после цементации. Эта обработка необходима для того, чтобы исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки Ас₁ (сердцевины) при 820-850^оС. Это обеспечивает измельчение зерна, полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементованной печи после подстуживания изделий до 840-860 ^оС. Такая обработка не исправляет структуру цементованного слоя и сердцевины, поэтому ее применяют только для изделий, изготовленных из наследственно мелкозернистых деталей.

После цементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска.

Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880-900 ^оС (выше точки Ас ₃ сердцевины) назначают для исправления структуры сердцевины. Вторую закалку проводят с нагревом до 760-780 ^ОС для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термообработки – сложность технологического процесса, возможность окисления и обезуглероживания.

Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий является низкий отпуск при 160-180^о С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения и улучшающий механические свойства.

В результате термической обработки цементованный слой должен иметь структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (15-20%) или мартенсита.

Твердость на поверхности цементованного слоя находится в пределах HRC~58-62 и в сердцевине HRC~30-45. При цементации чаще контролируют не общую, а эффективную толщину слоя.

Эффективная толщина соответствует зоне слоя от поверхности насыщения до границы зоны с твердостью HRC~50 или HV~550. Толщина эффективного слоя составляет 0,4-1,8 мм.

6.2.2. Азотирование стали.

Азотированием называется ХТО, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, детали арматуры турбин и целый ряд других деталей, работающих на износ при повышенных температурах в агрессивных средах.

Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450-500 ^оС), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225 ^оС.

Азотирование чаще проводят при 500-600 ^оС (низкотемпературное азотирование). Стали ферритного и аустенитного классов и тугоплавкие металлы (Ti, Mo и др.) подвергаются высокотемпературному азотированию (600-1200 ^оС).

Наиболее распространено газовое азотирование. Его обычно проводят в герметических камерах (ретортах), куда поступает с определенной скоростью аммиак, диссоциирующийся по реакции

NH N-3/2H_2.

Для снижения хрупкости и экономии аммиака рекомендуется азотирование в аммиаке, разбавленном азотом.

Выделяющийся атомарный азот адсорбируется поверхностью металла и диффундирует в его кристаллическую решетку, образуя различные азотистые фазы.

Ф сплавах железа с азотом образуются следующие фазы:

ά -фаза – твердый раствор в ά-железе;

γ- фаза – азотистый аустенит, который образуется при температуре выше эвтектоидной (591 ^оС);

γ ^`-фаза – твердый раствор на основе нитрита железа Fe₄N

(5.7-6,1 %);

ε -фаза, твердый ра-ор на основе нитрита Fe_2-3N (8,0-11,2 % N).

Следовательно, в случае азотирования при температуре ниже эвтектоидной диффузный слой состоит из трех слоев: ε+γ^`+α. Носителем твердости является нижний α -слой (вследствие выделения дисперсных нитридов);

γ ^`-слой очень тонок, часто даже не обнаруживается,

а ε -слой непрочный и хрупкий.

В случае азотирования при температуре выше эвтектоидной, например 650 ^оС, слой при этой температуре состоит из следующих фаз: ε+γ ^{`</sup>+γ+α. При медленном охлаждении азотистый γ-аустенит распадается на эвтектоид: γ→α+γ<sup>`}, а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение. В этом случае максимальной твердости отвечает мартенситный подслой.

При азотировании легированных сталей образуются легированные ε - и γ ^`-фазы. Легирующие элементы W,Mo, Cr, Ti, V, будучи растворены в феррите, повышают растворимость азота в α-фазе и образуют специальные нитриды MN, M₂N (VN, TiN, Cr₂ N и др.). Выделяясь в мелкодисперсном состоянии, эти нитриды способствуют повышению твердости азотированного слоя.

В последние годы получило применение азотирование с добавками углеродсодержащих газов, которое проводят при 570 ^оС в течении 1,5-3,0 ч в атмосфере, содержащей 50 % (по объему) эндогаза и 50 % (по объему) аммиака. В результате такой обработки образуется карбонитридная (Fe,M)_2-3(N,C) зона толщиной 7-25 мкм, обладающая меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая ε -фаза (Fe,M)_2-3N.

Твердость карбонитридного слоя на легированных сталях HV 600-1100. Общая толщина слоя – 0,15-0,5 мм.

Понятие об ионном азотировании и цементации.

Для активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование. Время при этом уменьшается в 2…3 раза с одновременным повышением качества азотированного слоя.

Ионное азотирование осуществляется в стальном контейнере, который является анодом. Катодом служат азотируемые детали.

Через контейнер при низком давлении пропускается азотосодержащая газовая среда.

Вначале азотируемая поверхность очищается катодным распылением в разреженном азотосодержащем газе или водороде.

При напряжении около 1000 В и давлении 13…26 Па ионы бомбардируют и очищают поверхность катода (детали). Поверхность при этом нагревается до температуры не более 200 С.

Затем устанавливается рабочий режим: напряжение 300…800В, давление 133 …1333 Па, удельная мощность 0,7…1 Вт/см². Поверхность детали нагревается при этом до температуры 450…500 С в результате бомбардировки положительными ионами газа. Ионы азота поглощаются поверхностью катода, а затем диффундируют вглубь.

Параллельно с этим протекает процесс катодного распыления поверхности, что позволяет проводить азотирование трудноазотируемых сплавов, самопроизвольно покрывающихся защитной оксидной пленкой, которая препятствует проникновению азота при обычном азотировании.

Наряду с ионным азотированием применяют ионную цементацию. При ионной цементации требуется высокая температура нагрева поверхности (до 900…1050 С), что достигается либо увеличением удельной мощности, либо применением дополнительного внешнего нагрева цементуемых деталей.

При ионной цементации и ионном азотировании наблюдается ускорение диффузионных процессов, особенно в начальной стадии.

6.2.3. Одновременное насыщение поверхности стали

азотом и углеродом.

Совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом имеет определенные преимущества. Так, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 с. Такой процесс называется нитроцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4…10 часов.

Основное назначение нитроцементации – повышение твердости и износостойкости стальных изделий.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска HRC 58…60. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2…0,8мм. Нитроцементации обычно подвергают детали сложной формы, например зубчатые колеса.

Одновременное насыщение стали углеродом и азотом происходит также при цианировании в расплавленных солях, содержащих цианид натрия при 820…860 С. Однако токсичность расплава солей является серьезным недостатком, препятствующим широкому внедрению этого процесса. (В МВТУ им Баумана Д. А. Прокошкиным и А.В. Суповым разработаны новые технологии повышающие долговечность инструмента из быстрорежущей стали в 2…4 раза).

6.3. Диффузионное насыщение сплавов

металлами и неметаллами

Борирование - насыщение поверхности металлов и сплавов бором с целью повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости.

При борировании железа упрочненный слой состоит из ромбического борида FeB и тетрагонального борида Fe₂B, образующих столбчатые кристаллы. Под слоем боридов располагается переходный слой из твердого раствора бора в альфа-железе.

При нагревании бориды устойчивы: FeB - до 800 С, Fe₂B - до 1000 С. Что позволяет применять борирование для повышения износостойкости деталей, работающих при высоких температурах. Борридный слой очень твердый, но склонен к скалыванию.

Установлено, что углерод сталей полностью вытесняется из зоны боридов вглубь и, в зависимости от легирующих элементов в стали, образует переходную зону.

Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борированые слои на углеродистых сталях устойчивы к воздействию кипящих водных растворов NaOH и КОН, а также расплавов цинка, свинца, олова.

Силицирование - насыщение поверхности металлов и сплавов кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, твердости и износостойкости. При силицировании на поверхности образуется твердый раствор кремния в железе. Наибольший интерес представляет селицирование легированных сталей, так как Cr, Al, Ti, попадая в силицированный слой, повышают его окалиностойкость.

Хромирование – насыщение поверхности изделий хромом.

Диффузионному хромированию подвергают чугуны, стали, сплавы на основе никеля, молибдена, вольфрама, ниобия, кобальта и металлокерамические материалы.

Хромирование производят в вакуумных камерах (10- 10^-1 Па) при 1420^о С. За 18…24 ч. получают хромированный слой толщиной 2,0…2,5 мм с концентраций на поверхности до 70% хрома.

Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивость стали против газовой коррозии (окалиностойкость) до 800 С.

Хромирование сталей, содержащих свыше 0,3…0,4% С, повышает твердость и износостойкость.

Хромирование используют для упрочнения деталей работающих на износ, особенно в агрессивных средах.

Алитирование – процесс насыщения поверхности изделий алюминием с целью повышения жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости.

Поверхностный слой может содержать до 58% (по массе) алюминия и представляет собой фазовый слой FeАl₃. При нагревании алитированных изделий образуется плотная пленка оксида алюминия (Al₃O₃), предохраняющая металл от окисления.

Алитированный слой обладает также хорошим сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Толщина алитированного слоя колеблется в пределах 0,21 мм Износостойкость алитированнного слоя низкая.

Алитированию подвергают различные изделия, работающие при высоких температурах.