Стали для цементации и нитроцементации

Стали для цементации и нитроцементации

Цементация и нитроцементация – высокоэффективные и доступные процессы, поэтому они нашли широкое применение в промышленности. Цементация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом до эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации. Цементацию поводят выше точки А₃ в аустенитной области. Температурный интервал цементации, как правило, 930–960 ºС. Имеется положительный опыт применения для некоторых легированных сталей высокотемпературной цементации при 980–1050 ºС. При этом значительно ускоряется процесс цементации вследствие увеличения коэффициента диффузии углерода, однако одновременно растет зерно аустенита и увеличивается коробление деталей. Поэтому для высокотемпературной цементации необходимо применять стали с наследственно мелким зерном или легировать сталь элементами, замедляющими рост аустенитного зерна при нагреве (Ti, V). Оптимальное содержание углерода в поверхностном слое 0,8–1,0 %, но для увеличения контактной выносливости оно может быть повышено
до 1,1–1,2 %. Глубина цементованного слоя составляет 0,6–2,5 мм в зависимости от размеров и условий эксплуатации изделий. Она влияет прежде всего на контактную выносливость и усталостную прочность. При малой толщине слоя происходит продавливание, а при большой – снижается усталостная прочность изделия. Цементацию проводят в твердом, жидком и газовом карбюризаторе. Наиболее распространена газовая цементация. Цементации (нитроцементации) подвергаются шестерни, оси, зубчатые колеса, валы, измерительный инструмент и др. После цементации наиболее существенно возрастает твердость и износостойкость поверхностных слоев изделия, контактная выносливость, усталостная прочность. При этом сердцевина изделия должна быть мягкой и пластичной, что придает необходимую конструктивную прочность. Стали, применяемые для цементации, должны обеспечить: получение требуемого уровня свойств, достаточную прокаливаемость (особенно для деталей большого сечения), хорошую обрабатываемость давлением и резанием, минимальное изменение размеров и минимальное коробление при закалке, экономичность легирования.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08 – 0,25 % , что обеспечивает получение вязкой сердцевины. Для некоторых высоконагруженных деталей содержание углерода в стали может быть повышено до 0,35 % . С повышением содержания углерода в стали уменьшается глубина цементного слоя, увеличивается прочность и понижается вязкость сердцевины.

Легирующие элементы влияют на свойства сердцевины, прокаливаемость, скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя, концентрацию углерода в поверхностном слое, а также на структуру слоя и величину зерна. Влияние легирующих элементов на глубину слоя определяется, одной стороны, влиянием на значение коэффициента диффузии углерода в аустените, с другой стороны, на величину градиента концентрации углерода по сечению диффузионного слоя, зависящего от максимального содержания углерода в поверхностном слое.

Некарбидообразующие элементы, такие как Ni, Si, Co ускоряют диффузию углерода в аустените. В то же время, эти элементы снижают растворимость углерода в аустените и тем самым уменьшают максимальное содержание углерода в поверхностном слое. Наиболее сильно ускоряет диффузию углерода в аустените и понижает содержание углерода в цементованном слое кремний. Однако при более высоких температурах (1000, 1100 ºС) Si уменьшает коэффициент диффузии углерода в аустените.

Как правило, карбидообразующие элементы понижают коэффициент диффузии углерода в аустените. Например, в стали с 1,2 % Si и 1 % легирующего элемента при температурах, соответствующих интервалу цементации, наблюдается замедление диффузии углерода при легировании в такой последовательности: Mn, Mo, V, W, Cr. Карбидообразующие элементы повышают максимальную концентрацию углерода в поверхностном слое по сравнению с углеродистой нелегированной сталью, что связано с интенсивным карбидообразованием в поверхностном слое (рисунок 3.2.).

Глубина диффузионного слоя в значительно большей степени зависит от максимальной концентрации углерода в поверхностном слое, чем от коэффициента диффузии углерода в аустените. Поэтому легирование некарбидообразующими элементами уменьшает глубину цементованного слоя, а карбидообразующими – увеличивает ее (рисунок 3.3).

Цементуемые стали легируют комплексно карбидо– и некарбидообразующими элементами: Cr, Mn, Ni, Si и др. Cr, Mn, Si увеличивают прокаливаемость и упрочняют α–твердый раствор, т.е. повышают прочностные свойства сердцевины.

Весьма значительно повышает прокаливаемость бор, его вводят в количестве 0,001–0,005 %. Никель не только повышает прокаливаемость, но и увеличивает ударную вязкость цементованного слоя и сердцевины, а также снижает порог хладноломкости. Однако это дорогой и дефицитный элемент, поэтому его вводят в стали только для тяжелонагруженных деталей. С целью измельчения зерна вводят ванадий и титан (0,06–0,12 % V; 0,03–0,09 % Ti). Эти элементы задерживают рост зерна аустенита при нагреве и делают возможной непосредственную закалку с цементационного нагрева без перекристаллизации. Добавки молибдена до 0,3–0,5 % в хромоникелевые и хромомарганцевые стали увеличивают прокаливаемость. Введение кремния в хромоникелевые цементуемые стали позволяет повысить их ударно–усталостную выносливость посредством уменьшения глубины заэвтектоидной зоны и увеличения количества карбидов.

Для цементации используют как качественные конструкционные углеродистые стали (ГОСТ 1050–74), так и легированные (ГОСТ 4543–71). Углеродистые стали (08, 10, 15, 20 и др.) применяют лишь для малонагруженных деталей с рабочим сечением до 15–25 мм, работающих в основном на износ. Низколегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 15ХФ, 20ХМ и др. применяют для более нагруженных деталей с рабочим сечением до 35 мм. Легированные стали повышенной прочности 20ХГР, 12ХН2, 20ХНМ, 20ХГМ и др. предназначены для изготовления деталей сечением до 50–75 мм, работающих при высоких удельных нагрузках. К этой же группе относятся стали 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГНТР и др., микролегированные титаном. В этих сталях рост зерна аустенита при цементации сдерживается карбидами титана. Для тяжелонагруженных массивных деталей сечением до 100–120 мм, когда высокая поверхностная твердость должна сочетаться с высокой вязкостью сердцевины, применяют высоколегированные хромоникелевые стали типа 20ХНЗА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА. Однако вследствие дефицитности никеля стали с повышенным никелем заменяют малоникелевыми (например, стали 18ХГСН2МА и 18ХГСН2МВА используют взамен сталей  18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А, а сталь 14ХГСН2МА вместо 12ХН3А и 12Х2Н4А).

Термическая обработка изделий после цементации заключается в закалке и низкотемпературном отпуске. Для деталей из мелкозернистых сталей, легированных титаном или ванадием, можно использовать непосредственную закалку с цементационного нагрева с подстуживанием при 840–860 ºС для уменьшения количества остаточного аустенита и коробления.

Детали из углеродистой или низколегированной стали, в которых наблюдается рост зерна в процессе цементации, подвергают после цементации закалке с повторного нагрева до температуры 760–800 ºС (неполной закалке). При этом измельчается зерно в цементованном слое, но феррит в сердцевине остается крупнозернистым (неперекристаллизованным). Для ответственных деталей проводят после цементации двойную закалку. При первой закалке (нормализации) с нагревом до 860–900 ºС (выше Ас₃ сердцевины) устраняется цементитная сетка и измельчается зерно в сердцевине. При второй закалке с нагревом выше Ас₁ (760–800 ºС) происходит измельчение зерна в поверхностном слое.

Высоколегированные хромоникелевые стали типа 18Х2Н4ВА после закалки сохраняют большое количество остаточного аустенита. Поэтому для них после цементации с охлаждением на воздухе или в контролируемой атмосфере применяют высокий отпуск при 640–660 ºС, 4–6 ч. При этом из остаточного аустенита выделяются карбиды и происходит их коагуляция. Тогда при нагреве до 780–800 ºС при последующей закалке в аустените растворяется небольшая часть карбидов, мартенситная точка поднимается и после закалки количество остаточного аустенита уменьшится. После закалки всегда проводится низкотемпературный отпуск при 180–200 ºС для уменьшения остаточных напряжений.

В легированных сталях после цементации и закалки кроме мартенсита и карбидов присутствует также остаточных аустенит, количество которого может быть значительным.

В небольшом количестве остаточный аустенит в цементованном слое может быть даже полезным, т.к. при этом повышается пластичность и особенно ударная выносливость, но при больших его содержаниях существенно снижается твердость стали, поэтому для высоколегированных цементуемых сталей в целях уменьшения количества остаточного аустенита проводят обработку холодом после закалки перед отпуском. После термообработки структура поверхностного слоя – отпущенный мелкоигольчатый мартенсит, вторичные карбиды и небольшое количество остаточного аустенита. В сердцевине легированных сталей микроструктура – отпущенный низкоуглеродистый мартенсит или бейнит. Твердость поверхностного слоя HRC 60–62, твердость сердцевины
HRC 30–40.

В связи с дефицитностью никеля разрабатываются безникелевые цементуемые стали типа 15ХГ2МФ, а также стали с частичной заменой никеля на марганец (типа 20ХГНМФ). Учитывая, что ванадий и титан являются дорогими элементами, их заменяют комбинацией азота и алюминия (например, 25ХГНМАЮ). В последнее время вместо никельсодержащих цементуемых сталей создаются низкоуглеродистые цементуемые марганцевые стали с метастабильным аустенитом типа 08Г(4–16)ТЮ. В этих сталях получают аустенитную структуру, армированную карбидами. В процессе деформации метастабильный аустенит превращается в мартенсит деформации, при этом достигается высокая износостойкость в условиях абразивного и ударно-абразивного воздействия. Новым направлением является также создание дисперсионно-твердеющих сталей, которые могут работать при повышенных температурах.

Часто проводят не цементацию, а нитроцементацию – одновременное насыщение поверхности изделия углеродом и азотом в газовой среде. Насыщение ведется в тех же газовых средах, что и при цементации (в эндогазе с добавкой природного газа или метана), но с добавлением небольшого количества (1–5 %) аммиака. Преимущества нитроцементации по сравнению с газовой цементацией связаны с возможностью проведения процесса насыщения при более низкой температуре (830–860 ºС), при этом скорость насыщения остается почти такой же, как и при газовой цементации при 930 ºС. Это объясняется возрастанием скорости диффузии углерода в присутствии азота. Снижение температуры насыщения позволяет сохранить в стали мелкое зерно аустенита и проводить непосредственную закалку (с температуры насыщения или с подстуживанием до 800–820 ºС), что уменьшает деформацию деталей при закалке. Использование более низких температур нагрева при нитроцементации повышает также срок службы печного оборудования. Кроме того, при нитроцементации за счет образования в диффузионном слое дисперсных карбонитридов повышается износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость стали; равнозначная с цементованными деталями прочность достигается при меньших толщинах слоев. За счет легирования твердого раствора азотом снижается критическая скорость закалки, что создает условия для применения ступенчатой закалки. Ступенчатую закалку проводят в горячем масле с температурой 120–180 ºС. Ступенчатая закалка уменьшает деформацию и стабилизирует размеры деталей за счет снижения температурных напряжений. После закалки проводят низкотемпературный отпуск. Толщина слоя при нитроцементации составляет 0,2–0,8 мм. При толщине слоя свыше 1 мм в диффузионном слое появляются дефекты структуры, которые резко снижают прочность деталей. Для нитроцементации применяются те же стали, что и для цементации, но с более высоким содержанием углерода (25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ и т.п.) для увеличения прочности сердцевины. Последнее исключает продавливание тонкого диффузионного слоя. Структура поверхностного слоя должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита с отдельными дисперсными частицами карбонитридов, азотистого цементита, карбидов и нитридов легирующих элементов и значительного количества остаточного аустенита.

Азот снижает температуру мартенситного превращения (каждые 0,1 % азота снижают ее на 18,5 ºС), поэтому в нитроцементованном слое легированных сталей может содержаться до 40–45 % остаточного аустенита, но при этом обеспечивается высокая усталостная прочность и контактная выносливость. Однако остаточный аустенит снижает поверхностную твердость деталей и их износостойкость.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое цементация и нитроцементация?

2. Какие требования предъявляются к сталям для цементации и нитроцементации?

3. Какова роль легирующих элементов в этих сталях?

4. Какое влияние оказывают легирующие элементы на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне?

5. Какие марки сталей применяются для цементации и нитроцементации?

6. Какова термическая обработка сталей после цементации и нитроцементации?

7. В чем преимущества нитроцементации перед цементацией?

Лекция "11 Опухоли нервной системы" также может быть Вам полезна.

8. Каковы современные направления в создании цементуемых сталей?

Литература

1. Гольдштейн М.И. Специальные стали /М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. – М.: МИСИС. – 1999. – 408 с.

2. Ляхович Л.С. Специальные стали: Учеб. пособие для вузов / Л.С. Ляхович. – Минск: Высш. шк., 1985. – 208 с.

3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин и др. – Москва: Металлургия, 1981. – 424 с.

4. Влияние термообработки на фазовый состав, структуру и свойства цементуемых низкоуглеродистых марганцевых сталей / Л.С. Малинов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. – № 3. – С.40–48.