Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов (1024694), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Для любой стали можно разработать технологию химикотермической обработки в вакууме, с тем, чтобы все потенциальныевозможности данного материала раскрылись в полном объеме.Польскими исследователями разработаны эффективные режимывакуумной цементации различных конструкционных сталей от низколегированных до комплексно-легированных теплостойких, при этомсоотношениестадийактивногонасыщенияидиффузионноговыравнивания, а также температура процесса подбираются таким образом,чтобы насыщенность диффузионного слоя углеродом наилучшим образомсоответствовала химическому составу стали, определяющему точкуэвтектоидного превращения [134].В работе [111] отмечена возможность проведения вакуумнойцементации в отношении коррозионно-стойких сталей.Также при вакуумной цементации (при температуре 950 °C)проводится науглероживание низколегированной стали до высокихконцентраций углерода на поверхности, равных 2,0 и даже 4,0 % [112].87Обработка проводится в течение 5 циклов активного науглероживания идиффузионного выравнивания.
После первого цикла концентрациякарбидов составляет менее 2 %; после третьего – около 10 %; после пятого– равна 19 %.Ещепростотаоднимпреимуществомуправления,котораявакуумнойобусловленацементацииявляетсяограниченнымчисломуправляющих факторов технологического процесса: температурой ивременными факторами. Углеродный потенциал среды поддерживается надвух уровнях: максимальном и нулевом [131, 132].Простота управления науглероживанием в вакууме обуславливаетвозможность точного контроля протяженности диффузионного слоя.Крометоговакуумноетермическоеоборудованиедопускаетавтоматизацию процесса, что способствует встраиванию вакуумных печейв производственные линии [111].Вакуумная цементация проводится в широких пределах температур:от 785 до 1205 °С [41] в зависимости от химического состава стали,составарабочейатмосферы,задачцементации.Вакуумнаянитроцементация проводится при температурах свыше 785 °С, однаковерхний предел температурного диапазона нитроцементации ограниченприблизительно 920 °С [33].
Так, например, вакуумную нитроцементацию(ВНЦ)сталиВКС-10рекомендованопроводитьпритемпературеоколо 880 °С.Вакуумнуюцементацию,какправило,проводятврежимециклической подачи углеродсодержащих газов, при котором стадииактивного насыщения при подаче углеводорода чередуют со стадиямидиффузионного рассасывания, идущими при выключенной подаче газовойсреды[132].рассасыванияНеобходимостьобусловленопроведениябыстрымстадийдиффузионногонасыщениемобрабатываемойповерхности углеродом с образованием тонкого карбидного слоя ипироуглерода,которыеэкранируютнасыщаемуюметаллическую88поверхность, что исключает дальнейшее термохимическое разложениеуглеводородов.На обеих стадиях происходит перераспределение углерода изприповерхностной зоны вглубь формируемого слоя.
В этой связи, привакуумной цементации кривая изменения поверхностной концентрацииуглерода на различных стадиях вакуумной цементации по циклическомурежиму в зависимости от времени процесса имеет характерный вид(рисунок 1.19). Значение поверхностной концентрации углерода возрастаетнастадияхнасыщенияиснижаетсянадиффузионныхстадиях.Представленная кривая обладает специфической особенностью: надиффузионной стадии в ходе первого цикла снижение поверхностнойконцентрации достаточно резкое; на втором цикле концентрация углеродападает менее сильно; на третьем цикле она снижается незначительно,кривая приобретает все более плавный вид (см.
рисунок 1.19).Рисунок 1.19 – Изменение поверхностной концентрации углерода наразличных стадиях процесса вакуумной цементации (экспериментальныеданные) [135]89В практике вакуумной цементации в качестве углеводородаиспользуются метан, ацетилен, этилен в смеси с водородом или без него[125, 126]. Важность выбора оптимального состава насыщающего газаобусловлена тем, что от состава газовой среды зависит скоростьмассопереносауглеродакнасыщаемойповерхности.Скоростьмассопереноса определяется, в том числе, тем, обладают ли молекулыуглеводорода адсорбционной способностью и их распад происходит наповерхности металла или его молекулы распадается в объеме рабочейкамеры.После вакуумной цементации (нитроцементации) теплостойкихсталей (кроме дисперсионно-твердеющих) обычно проводится высокийотпуск, закалка, обработка холодом и низкий отпуск (рисунок 1.20).Рисунок 1.20 – Схема обычной полной термической и химикотермической(вакуумной цементации или нитроцементации) теплостойких сталей типаВКС-5 (представлены примерные значения температур t)Из структурных формул молекул метана (CH4), этилена (C2H4) иацетилена (C2H2) следует, что в молекулах углеводородов действуют двавида ковалентных связей: С‒С и С‒Н.
Для молекулы этилена характерна90двойная С=С, а для ацетилена тройная С≡С связь. Энергия связи растет сувеличением числа связей и составляет для С=С и С≡С соответственно 419и 515,5 кДж/моль. Для молекулы метана характерны связи С‒Н, энергиякоторых равна 283,8 кДж/моль [136].Из геометрической структуры молекул указанных углеводородоввытекают различные условия их взаимодействия с металлическойповерхностью.Молекулыметанавследствиераспределенияэлектронныхоблаковнейтральны,окруженыатомамиводорода,поэтомусимметричногоатомыуглероднеуглеродаможетвзаимодействовать с поверхностью железа до тех пор, пока не будутразорваны связи С–Н.
Возможна только физическая адсорбция за счетслабых дисперсионных сил, возникающихвследствие деформацийатомных орбиталей водорода при сближении с ионами кристаллическойрешетки металла, что затрудняет конденсацию молекул метана наметаллической поверхности. В этой связи диссоциация молекул метанадолжна происходить при высоких температурах [136, 137].Форма молекул – плоская у этилена и линейная у ацетилена –способствует непосредственному контакту атомов углерода этих молекул сионами железа. Другая важная особенность молекул этих газов – их слабаяполярность, которая более выражена у ацетилена, имеющего тройнуюсвязь C≡C. В результате для молекул этилена и особенно ацетилена слабаяфизическаяадсорбцияусиливаетсядействиемсилпритяжения,обусловленная наличием -связей у молекул.
Последние способныадсорбироваться на поверхности металла и диссоциировать, обеспечиваятем самым интенсивный перенос углерода на насыщаемую поверхность[136].В данной работе проведено сопоставление сред на основе метана иацетилена, применяемых для вакуумной цементации, на основе расчетатермодинамических характеристик данных технологических атмосфер при91различных температурах. Показана возможность разложения ацетиленапри температурах 900-950 °С. При этом молекулы метана разлагаются притемпературах свыше 1000 °С.
Таким образом, насыщение в ацетиленевозможно практически во всем диапазоне рабочих температур, а в метане– только при повышенных температурах, что может негативно сказаться наструктуре (рост зерна) и, соответственно, свойствах диффузионного слоя.Следует отметить и тот факт, что в отличие от метана, при примененииацетилена на насыщение расходуется практически весь подаваемый вкамеру газ.
Это обуславливает целесообразность применения ацетиленадля вакуумной цементации (а также для нитроцементации в качествекомпонента рабочей атмосферы) [111, 136].Циклическое науглероживание в ацетилене в ходе вакуумнойцементации применяется как в России, так и за рубежом [125-127, 138]. Вотличие от циклических ионных процессов цементации [3, 13] привакуумной цементации не получают концентрационные кривые углерода спротяженнойприповерхностнойплощадкойравнойконцентрации(рисунок 1.21.).Данное технологическое решение являетсяне единственнымвозможным. Так, польскими и немецкими исследователями предложенадля использования при вакуумной цементации рабочая атмосфера,состоящая из ацетилена, этилена и водорода [139, 140].
Диссоциацияуглеводородов в данной смеси достигает 70-90 % и отработанный газсостоит преимущественно из водорода. Повышенная эффективностьданной смеси, по сообщению авторов, обусловлена взаимным влияниемкомпонентов смеси.92ммРисунок 1.21 – Характерные концентрационные кривые углерода привакуумной цементации стали ВКС-5 при температуре 940 °С в течение:1 – 130 мин; 2 – 300 мин; 3 – 475 мин (h – расстояние от поверхности,C – концентрация углерода) [131]Вработе[141]предложенырежимыобработкиультра-высокопрочной стали Ferrium C61. Данную сталь предложено подвергатьвакуумной ХТО по двум режимам: 1) цементация при 1000 °С в течение4,4 час, соотношение стадий цикла 1:25,5; закалка в потоке азота стемпературы цементации; высокий отпуск при температуре 485 °С втечение 17 час; 2) цементация при 1000 °С в течение 4,4 час, соотношениестадий цикла 1:32; закалка в потоке азота с температуры цементации;высокий отпуск при температуре 485 °С в течение 17 час.
Получено врезультате первого процесса: 0,73 % углерода на поверхности (твердость700 HV), повышенное содержание остаточного аустенита, карбиды хромапо границам зерен; второго – 0,55 % углерода на поверхности (твердость650 HV) при минимальном содержании остаточного аустенита. Последанной обработки достигается очень высокая теплостойкость.93Таким образом, незначительное изменение в режиме вакуумнойцементации приводит к существенным отклонениям насыщенностиуглерода, содержании иных фаз.Проведение после цементации указанной стали азотированияобеспечивает повышение твердости на поверхности до 70 HRC (1100 HV)[141]. В этой же работе описана вакуумная ХТО стали CSB-50 Nil(содержит около 3,4 % никеля, стабилизирующего аустенит, см.таблицу 1.4), которая проводилась по режиму: цементация при 950 °С втечение 7,15 час, соотношение стадий цикла 1:4,4; закалка в потоке азота стемпературы цементации; низкий отпуск при 200 °С в течение 2 час;трехкратный высокий отпуск при температуре 520 °С в течение 2 час.Максимум твердости был достигнут после первого высокого отпуска – 62HRC, после третьего твердость снизилась до 60 HRC при полномотсутствии остаточного аустенита.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
