Диффузионное насыщение неметаллами

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами — наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки.

Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке, резко изменяют механические и физико-химические свойства стали.

Науглероживание (цементация)

Цементации подвергают изделия из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25%).

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, куда засыпают и утрамбовывают древесный уголь, смешанный с 20 — 26% ВаСO3.

При нагревании углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, находящегося в цементационном ящике между частицами карбюризатора, образует окись углерода:

Формула

В контакте с железом окись углерода дает атомарный углерод:

Формула

Этот активный углерод (in statu nascendi) поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия.

Добавка ВаСО3 сильно интенсифицирует процесс цементации, поставляя дополнительное количество окиси углерода и соответственно активного углерода:

Формула

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ (состоит в основном из СН4), 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 фазу.

Основной поставщик углерода в газообразных карбюризаторах — метан:

Формула

В искусственно полученной контролируемой атмосфере таким поставщиком является окись углерода.

Газовая цементация — основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве.

Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,6 — 2,0 мм.

Цементацию проводят при 910 — 930 °С, а иногда, для ускорения, при 1000 — 1050 °С. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0 — 1,3 мм получают при 920 °С за 15 ч, а при 1000 °С — за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный перегрев (рост аустенитного зерна), высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8 — 1,0% и не достигает предела растворимости яри температуре цементации. Следовательно, сетка FeC при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии.

После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур, типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (смотрите рисунок Участок диаграммы состояния Fe — С).

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали (смотрите рисунок Интервал температур нагрева под закалку углеродистых сталей).

Первую закалку проводят с нагревом до 850 — 900 °С (выше точки А3 сердцевины изделия), чтобы произошла полная фазовая перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита.

Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 760 — 780 °С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до температур 840 — 860 °С. После закалки цементованные изделия всегда нагревают до 160 — 180 °С для уменьшения закалочных напряжений.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 40 — 50 кгс/мм2, повышают предел выносливости изделия.

Низкое содержание углерода (0,08 — 0,2 : 5%) обеспечивает высокую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др.

Основное назначение легирования здесь — повышение прокаливаемости и соответственно механических свойств сердцевины изделий из цементуемой стали.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот: В системе Fe — N при температурах азотирование могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная ε-фаза с…

Диффузионное насыщение металлами

Металлы растворяются в железе и других металлах по способу замещения и потому медленнее, чем неметаллы, диффундируют в изделие. Как правило, диффузионное насыщение металлами проводят при более высоких температурах, чем насыщение неметаллами. Типичные примеры — алитирование и хромирование. Алитирование (алюминирование) применяют для повышения окалиностойкости сталей и реже чугунов. Алитируют также литые лопатки газотурбинных двигателей из жаропрочных…

Разновидности химико-термической обработки

В промышленности применяют множество способов химико-термической обработки, различающихся диффундирующими элементами, типом и составом внешней среды, химизмом процессов в ней, техникой исполнения и другими признаками. В зависимости от агрегатного состояния внешней среды, в которую помещают обрабатываемое изделие, различают химико-термическую обработку в твердой, жидкой и газовой средах. Атомы диффундирующего элемента поступают из твердого вещества в местах прямого…

Особенности строения диффузионной зоны

Диффузионную зону на шлифе можно выявить травлением благодаря измененному химическому составу поверхностного слоя. В однофазной зоне концентрация плавно изменяется от поверхности в глубь изделия (смотрите рисунок Распределение концентрации в однофазной зоне), и поэтому под микроскопом граница такой зоны размыта или чаще вообще не выявляется. Если диффузия сопровождается фазовыми превращениями, то строение диффузионной зоны резко отличается…

Образование многофазной диффузионной зоны

В однофазной диффузионной зоне при охлаждении изделия с температуры химико-термической обработки могут протекать фазовые превращения: полиморфное превращение твердого раствора, эвтектоидное превращение, выделение избыточной фазы и др. Допустим, что во время науглероживания железа при температуре t1 (выше 911 °С) концентрация углерода на поверхности изделия возрастает от точки а (чистое железо) до точки b, не достигая границы…