Сравнение процессов цементации в твердом карбюризаторе и нитроцементации зубчатых колес из стали 20Х

1. Особенности химико – термической обработки и основные закономерности

 

ХТО применяется для изготовления деталей машин, у которых поверхность в результате трения подвергается износу и одновременно на них действуют и динамические нагрузки. Для успешной работы в этих условиях поверхностный слой детали должен иметь твёрдость HRC 58 … 62, а сердцевина обладать высокой вязкостью и повышенным пределом текучести при твёрдости HRC 30 … 42.

Химико-термической обработкой называют поверхностное насыщение стали соответствующим элементом (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки включает три элементарные стадии:

1. Выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде; 2. Контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция); 3. Диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Толщина проникновения (диффузия) зависит от температуры и продолжительности насыщения (рис. 1)

 

 

Рис. 1. Зависимость толщины диффузионного слоя от продолжительности насыщения (а), температуры (б) и изменение концентрации по толщине диффузионного слоя (в).

 

Толщина диффузионного слоя  (x) в зависимости от продолжительности процесса τ при данной температуре обычно выражается параболической зависимостью. Следовательно, с течением времени скорость увеличения толщины слоя непрерывно уменьшается (рис. 1,а). Толщина диффузионного слоя, при прочих равных условиях, тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности металла (рис. 1,в).

 

2. Цементация в твердом карбюризаторе

 

При цементации в твердом карбюризаторе, насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы: углекислый барий (BaCO₃) и кальцинированную соду (Na₂CO₂) количестве 10 – 40% от массы угля.

Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20 – 35% BaCO₃и ~3,5% CaCO₃. Рабочую смесь, применяемую для цементации, составляют из 25 – 35% свежего карбюризатора и 65 – 75% отработанного. Содержание BaCO₃ в такой смеси 5 – 7%, что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности.

Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20 – 30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояние между деталями и до боковых стенок ящика 10 – 15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают другой ряд деталей и т.д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35 – 40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь.

Цементацию проводят в аустенитном состоянии, т.к. в α  -железе углерод практически нерастворим. Нагрев до температуры цементации (910 – 930 ˚С) составляет 7 – 9 мин. на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для составляет 4 – 6 ч для слоя толщиной 0,4 – 0,6 мм (скорость цементации в твердом карбюризаторе ~0,1 мм/мин). Содержание углерода на поверхности цементирумого изделия составляет 0,8 – 1,0 %. С углублением от поверхности вглубь оно уменьшается до исходного – 0,2% (рис. 2).

 

 

Рис.2 Диффузионные процессы при Цементации

 

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500 ˚С и затем раскрывают. В процессе медленного охлаждения после цементации на поверхностном слое залегает заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и карбидной сетки. Глубже лежит эвтектоидная зона, со структурой пластинчатого перлита, а под ней – доэвтектоидная перлито – ферритная зона, количество перлита в которой уменьшается с удалением от поверхности к центру (рис. 3).

 

Рис.3 Микроструктура диффузионной зоны после медленного охлаждения с температуры науглероживания железа

 

Цементацию стали проводят атомарным углеродом. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементированном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению

2CO→CO₂ + C_ат.

Углерод выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:

 

BaCO₃ + C→BaO + 2CO.

 

3. Термообработка после цементации

 

Окончательные свойства цементованных изделий достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправлять структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

После цементации термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска.

 

Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 890 ˚С (выше точки А_с3 сердцевины) назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь не образуется при быстром охлаждении.

Вторую закалку проводят с нагревом до 760 – 780 ˚С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости.

 

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита, изолированных участков остаточного аустенита (15 – 20%) и небольшого количества избыточных карбидов в виде глобулей. Структура сердцевины – в зависимости от величины зубчатого колеса может быть различной – феррит+перлит (σ_Т ~ 300 МПа), нжиний Бейнит (σ_Т ~ 700 МПа), либо отпущенный мартенсит (σ_Т ~ 1000 МПа).

 

Заключительно операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 ˚С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое, отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

 

Твердость поверхностного слоя после термической обработки HRC 58 – 62.

 

4. Нитроцементация и термообработка после нее

 

Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при 840 – 860 ˚С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса для получения слоя толщиной 0.4 - 0.6 мм составляет 4 – 5 ч.  Таким образом скорость роста нитроцементованного и цементованного слоев на глубину 0,5 мм практически одинакова, хотя температура нитроцементации почти на 100 ˚С ниже.

Для нитроцементации легированных сталей используеься контролируемая эндотермическая атмосфера, к которой добавляют 1,5 – 5,5% необработанного природного газа и 1,0 – 3,5% NH₃.

После нитроцементации следует закалка либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800 – 825 ˚С, либо после повторного нагрева; применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 ˚С.

При оптимальных условиях насыщения структуры нитроцементованного слоя должны состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 – 30% остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска HRC 58 – 64 (HV 570 – 690).

 

5. Преимущества нитроцементации по сравнению с цементацией

 

Нитроцементация имеет следующие преимущества по сравнению с цементацией. Процесс происходит при более низкой температуре (840 – 860 ˚С вместо 910 – 930 ˚С); глубина требуемого слоя обычно меньше; получается меньше деформации и коробление изделий; повышается сопротивление износу и коррозии.

 

 

 

 

 

 

Литература:

 

- Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлёв Л.Г. Основы термической обработки стали: Учебное пособие. – Екатеринбург: УрО РАН, 1999. – 496 с.

- В.Г. Ушаков, В.И. Филатов, Х.М. Ибрагимов Выбор марки стали и режима термической обработки деталей машин

- Лахтин Ю.М., Рахштадт А.Г. Термическая обработка в машиностроении – М: ОЛМА-ПРЕСС, 1980. -426 с.

- Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.