ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.08.2024
Просмотров: 400
Скачиваний: 0
Так, при длительном (τз) диффузионном насыщении элемента А элементом В можно добиться соответствия фазового состава диффузионной зоны равновесной диаграмме состояния (рис. 7.1). Последовательность образования фаз при температуре диффузионного насыщения соответствует последовательности их расположения на диаграмме (7, α, β, δ на рис. 7.1). Однако фазы, имеющие на диаграмме состояния очень узкие области гомогенности, могут расти так медленно, что их слои в диффузионной зоне не обнаруживаются.
Двухфазные области в диффузионной зоне не образуются, так как через фазу постоянного состава диффузионный перенос невозможен из-за отсутствия градиента концентрации.
Двухфазный слой в диффузионной зоне может образоваться при медленном охлаждении от температуры диффузионного насыщения вследствие переменной растворимости и вторичных выделений α- и β-фазы. Кроме того, двухфазная смесь может образоваться в диффузионной зоне в результате фазовой перекристаллизации в процессе охлаждения от температуры диффузионного насыщения (рис. 7.2), в то время как при диффузионном насыщении образуется твердый раствор 7 переменной концентрации1.
Для однофазных областей диффузионной зоны зависимость роста толщины слоя от продолжительности насыщения при tдиф = const подчиняется параболическому закону: ∆ = k1√τ, а зависимость толщины слоя от температуры при т = const — экспоненциальному закону: ∆ = k2е^Q/(2RT), где к , к2 — константы; Q — энергия активации диффузионных процессов. Толщина диффузионного слоя при tдиф = const и τ = const тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на насыщаемой поверхности.
Существует множество способов химико-термической обработки, однако наибольшее распространение в промышленности получили процессы
диффузионного насыщения из активных жидких и газовых сред. Более рациональной исходной средой является активизированная газовая среда, т.е. среда, лишенная нейтральных (балластных) примесей, где активный диффундирующий элемент образуется в результате диссоциации, диспропорционирования или восстановительных реакций, которые называются ведущими. Выявлять ведущие химические реакции можно экспериментально или расчетным путем. В последнем случае более вероятной считается реакция, имеющая более отрицательный изобарноизотермический потенциал (энергию Гиббса) или большую константу равновесия. В ряде случаев исходную газовую среду активизируют ионизацией в тлеющем разряде.
Диффузионное насыщение стальных деталей углеродом и азотом
Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и совместно этими элементами — наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки.
Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют на значительную толщину.
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 составляет 0,8-1 %, структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу, твердость поверхности равна 750 - 950 HV.
Сердцевина детали, содержащая 0,08 - 0,25 % С, остается вязкой. Поверхности, не подлежащие цементации, защищают 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 % ВаСОз для интенсификации процесса и 3 - 5 % СаСОз для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковывают в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910 - 930 ° С. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции
2С + 02 → 2СО Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции
ВаСОз + С → ВаО + 2СО
На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования
2СО=С02 + С
в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а С02 взаимодействует с углем, образуя новые порции СО.
Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.
При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (состоящий 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
СН4 → 2Н2 + С В ряде случаев (эндотермическая контролируемая атмосфера) при на-
личии в газе СО возможна также реакция 2С0 —> СО2 + С 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.
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 отличаться. Для тяжело нагруженных 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), а также высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств необходимо 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 Acз цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали образуется аустенит (см. рис. 7.4). Нагрев до температур, лишь немного превышающих Acз, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит
мелкозернистость продуктов распада. При температуре t3\ как видно на рис. 7.4, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.
При второй закалке деталь нагревают до t32 с превышением на 30-50° С температуры Ас1 (см. рис. 7.4). 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. 7.5).
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.
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. Однократную закалку широко используют на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе. Выгодно и удобно в этом случае закалку проводить после цементационного нагрева (рис. 7.6). Цементованные детали подвергают шлифованию.
Рис. 7.5. Схема термической обра-
ботки ответственных деталей машин после цементации:
I - цементация; I I - двойная закалка; I I I - низкий отпуск
Азотирование стали
Рис. 7.6. Схема термиче-
ской обработки при однократной закалке после цементации:
I - цементация; I I - подстуживание; I I I - закалка; I V - от-
Азотированием называют процесс диффузионногопуск насыщения азотом
поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики, шестерни и др.)
До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.
Обычное азотирование проводят при температуре 500 - 600 ° С в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.
Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.
При нагреве аммиака в изолированном объеме возможна лишь реакция с образованием молекулярного азота
2NH3 -» N2 + ЗН2
который не может диффундировать в сталь без ионизации. Формирование структуры азотированной зоны в углеродистых сталях
происходит примерно так же, как при азотировании железа. Поэтому, пользуясь диаграммой состояния Fe - N (рис. 7.8), можно предсказать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По мере насыщения железа азотом при температуре ниже 590 ° С сначала образуется α-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой γ-фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя ε-фазы с ГП решеткой и упорядоченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.
При медленном охлаждении после азотирования вследствие пе-
Рис. 7.8. Участок диаграммы
состояния системы Fe — N, а также изменение содержания азота и фазового состава по толщине слоя
ременной растворимости азота в α- и ε-фазах (см. рис. 7.8) происходит выделение вторичной γ11-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей: ε + γ11' — ► - γ' -> α+
При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.
Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой ε-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Fe - N ε- и γ'-фазы имеют сравнительно невысокую твердость — соответственно 450 HV и 550 HV. Значительно большая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Сг, Mo, Al, V, Ti.
При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической выдержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне.
Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирования легированной стали 38Х2МЮА, содержащей, %: 0,35 - 0,42 С; 1,35 -1,65 Сг; - 0,7 - 1,10 А1 и 0,15 - 0,25 Мо. Комплексное легирование хромом, алюминием и молибденом позволяет повысить твердость азотированного слоя до 1200 HV. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.
Процесс азотирования — весьма длительная операция. Так, при обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500 — 520 ° С за 55 ч выдержки. Такую же толщину зоны можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510° С, 15 и 550 ° С, 25 ч.
По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает контактные нагрузки на поверхность детали.
НАСЫЩЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ОДНОВРЕМЕННО УГЛЕРОДОМ И АЗОТОМ
Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определенные преимущества. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 ° С и получить примерно такое же науглероживание, как при цементации. В этом
случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подстуживания. Такой процесс называют нитроцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа с 3 - 5 % NH3, а в диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитроцементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.
Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.
Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также проводить при 820 - 860 ° С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. В ванне, имеющей состав, %: 20 - 25 NaCN, 25 - 50 NaCl и 25 - 50 Na2C03,, за 1 ч выдержки при указанной температуре можно получить диффузионный слой толщиной примерно 0,3 мм, который после закалки от 820 - 860 ° С из ванны и отпуска при 180 - 200 ° С приобретает поверхностную твердость 58 - 62 HRC и содержит примерно 0,7 % С и 1 % N. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью.
Полагают, что при активном участии кислорода воздуха в цианистой ванне протекают следующие реакции:
2NaCN + 02 -> 2NaCNO
2NaCNO + 02 -» Na2C03 + CO + 2N
2CO -» CO2 + C
Нейтральные соли NaCl и Na2C03 добавляют для повышения температуры плавления ванны, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых солей при температурах цианирования. Существенный недостаток цианирования — ядовитость цианистых солей, что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.
В связи с этим разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей — цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием « Карбонитрация », (СССР), «Тенифер» (Германия) и «Мелонайт» (США).