Цементация

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 ^oС.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).

Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).

Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.

На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

Цементация в твердом карбюризаторе.

 Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 ^oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

Недостатками данного способа являются:

• значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

• низкая производительность процесса;

• громоздкое оборудование;

• сложность автоматизации процесса.

Способ применяется в мелкосерийном производстве.

Газовая цементация.

 Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором.

Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами.

Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки.

Преимущества способа:

• возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

• сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

• возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

 Структура цементованного слоя

 Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.

Рис. 15.1. Структура цементованного слоя

 На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу. 

Термическая обработка после цементации

 

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким отпуском. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Комплекс термической обработки зависит от материала и назначения изделия. 

Если сталь наследственно мелкозернистая или изделия неответственного назначения, то проводят однократную закалку с температуры 820…850^oС (рис. 15.2 б). При этом обеспечивается получение высокоуглеродистого мартенсита в цементованном слое, а также частичная перекристаллизация и измельчение зерна сердцевины.

При газовой цементации изделия по окончании процесса подстуживают до этих температур, а затем проводят закалку (не требуется повторный нагрев под закалку) (рис. 15.2 а).

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к механическим свойствам цементованных деталей, применяют двойную закалку (рис. 15.2 в).

Первая закалка (или нормализация) проводится с температуры 880…900^oС для исправления структуры сердцевины.

Вторая закалка проводится с температуры 760…780^oС для получения мелкоигольчатого мартенсита в поверхностном слое.

Завершающей операцией термической обработки всегда является низкий отпуск, проводимый при температуре 150…180^oС. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру мартенсита отпуска, частично снимаются напряжения.

Цементации подвергают зубчатые колеса, поршневые кольца, червяки, оси, ролики.

ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ (ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА)

В большинстве случаев первый процесс при термической обработке стали — образование аустенита. При медленном нагреве стальных тел достаточного сечения превышение температуры на 30—50° над равновесной критической точкой обычно обеспечивает получение однородной структуры аустенита. В этом случае лимитирующей является допустимая скорость нагрева, обеспечивающая отсутствие поводки и разрушения, процессы фазовых превращений и диффузии успевают пройти при этом в достаточной степени.

Развитие и широкое промышленное распространение скоростных методов нагрева, в особенности индукционного, существенно изменило положение. Возможность индукционного нагрева со скоростями порядка десятков, сотен и тысяч градусов в секунду сделало лимитирующим фактором скорость протекания и время завершения превращений. Не случайно повышенный интерес к превращениям этого вида и появление многочисленных работ начались в середине 30-х годов, т. е. вскоре после того, как В. П. Вологдин и Б. Н. Романов предложили метод индукционного нагрева стальных изделий под закалку.

В настоящей главе рассмотрен механизм и кинетика образования аустенита в равновесных и изотермических условиях, а также в условиях непрерывного нагрева с учетом влияния определяющих факторов: температурно-временного режима, состава и исходных структур стали.

1. ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА И ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

Следует напомнить, что превращения в соответствии с диаграммами состояния имеют место только в идеализированных условиях бесконечно медленного нагрева (или охлаждения). Практически применяемые режимы весьма сильно влияют на характер превращения, приводя к результатам, часто не соответствующим диаграмме состояния. Так, применение больших скоростей нагрева приводит к получению в доэвтектоидной стали аустенитно-карбидной структуры. Хорошо известно также, что нагрев до различных температур выше А₃—А_ст приводит к получению аустенита с разными свойствами, а это определяет различное поведение в процессе охлаждения и свойства термически обработанной стали. Все эти особенности определяются диффузионным характером процесса образования аустенита, развивающимся во времени. Поэтому изменение температурно-временных условий нагрева приводит к изменению состава и строения аустенита со всеми вытекающими последствиями.

2. МЕХАНИЗМ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Из данных, полученных в результате микроскопического анализа, следует, что аустенит образуется в результате зарождения и роста зерен в объеме исходной структуры (впервые это показано в работе). Исследований.показывают, что образование аустенита происходит всегда на поверхности раздела феррито-карбидных фаз. При этом в зернах аустенита остаются многие карбидные частицы, постепенно растворяющиеся в нем. Экспериментально не удалось установить, что границы зерен перлита (или перлита и феррита) играют какую-либо специальную роль в процессе зарождения. По некоторым данным, они играют второстепенную роль. К выводу об определяющей роли границ приходят в работе.

Хорошо известно, что аустенит в эвтектоидной стали получается при температуре немного выше 723°. Однако при этих температурах феррит не может превратиться в аустенит: малоуглеродистый феррит (< 0,025% С) превращается в аустенит при более высоких температурах (порядка 900°). Следовательно, нельзя предположить, что образование аустенита заключается в превращении феррита в аустенит и последующем растворении в нем цементита. Для превращения феррита в аустенит необходимо, чтобы в соответствии с диаграммой состояния (рис. 16) минимальная концентрация углерода в нем была равна: 0,66% при 740°; 0,40% при 780°; 0,32% при 800° и т. д. Подобное положение может иметь место ввиду наличия в микрообъемах стали флуктуации концентрации, обусловленных диффузионным перемещением атомов углерода. Но если подобная флуктуация в необходимом критическом объеме создается на границе феррита и цементита, то образующийся зародыш аустенита закрепляется вследствие подачи атомов углерода из начинающего растворяться цементита. Этим и объясняется то, что зарождение аустенита наблюдается исключительно на поверхности раздела феррито-карбидных фаз.

Исходя из этих представлений о механизме образования аустенита, нельзя, однако, найти объяснения некоторым экспериментальным фактам. При скоростном нагреве предварительно закаленного технического железа с 0,045% С был обнаружен эффект а-у-превращения ПРИ 825—850° [80]. Предложенное авторами объяснение связывает феррито-аустенитное превращение при пониженных температурах с мартенситным механизмом процесса.

Проведенное далее исследование подтвердило устойчивость обнаруженного эффекта. При этом на сплавах железа с 0,02 и 0,07% С было показано, что контактный электронагрев со скоростью 200—250° С/сек приводит к выявлению дилатометрическим методом этого эффекта при 830° (0,07% С) и 850° (0,02% С) после предварительной закалки и отсутствию подобного эффекта при нагреве в тex же условиях в сплавах, не прошедших предварительной закалки. Опытные кривые для технического железа с 0,02% С приведены на рис. 17. Скоростной нагрев предварительно отожженного (2 часа при 950°) феррита показывает превращение при ~ 920° — при дилатометрическом и 918° — термическом методе исследования; это соответствует критическим точкам диаграммы состояния (рис. 17, а). После предварительной закалки (950° 5 мин.) дилатометрический метод обнаруживает превращение в интервале 850—912° (рис. 17, б). Поскольку превращение протекает в широком интервале температур, кривая термического исследования не обнаруживает видимых отклонений от линии нормального нагрева и не позволяет уловить эффект превращения. И. Н. Кидин связывает этот факт с измельчением блоков мозаичной структуры феррита после закалки, неравномерным распределением и повышенной растворимостью углерода по границам блоков. Действительно, наличие дислокаций в местах стыка границ блоков должно привести к образованию «облаков» Коттрелла из внедренных в решетку феррита атомов углерода, т. е. к повышенной растворимости.

Специальное исследование действительно подтвердило возможность повышения концентрации углерода на границах блоков феррита до 0,25%. Согласно диаграмме Fe — Fe₃C (рис. 16), превращение феррита, пересыщенного углеродом до 0,25%, в аустенит может происходить, начиная от 830—840°, что совпадает с данными, полученными независимым экспериментом. С этих позиций объясняется также сделанный ранее вывод о преимущественном зарождении аустенита на поверхностях раздела феррита.

Изложенным представлениям о механизме процесса образования аустенита противоречат данные о независимости положения критической точки от скорости нагрева. На основании рассмотрения кривых, полученных при индукционном нагреве, отдельные исследователи пришли к выводу, что образование аустенита происходит немедленно по достижении температуры А₁. В дальнейшем, однако, было показано, что особенности индукционного нагрева приводят к получению перегибов всегда при температуре магнитного превращения (в точке Кюри феррита), независимо от района фазовых превращений. Поэтому положение площадки на кривых всегда постоянно, ибо соответствует постоянной температуре магнитного превращения для нелегированного феррита (768°). Неточность расшифровки узких осциллограмм заставила этих исследователей ошибочно отнести полученную площадку к температуре А₁.

Аналогичная зависимость, полученная при опытах с нагревом путем пропускания тока через образец, была в дальнейшем опровергнута результатами ряда работ.

Критическое рассмотрение ошибочных представлений о безгистерезисности процесса образования аустенита с позиций общей теории фазовых превращений проведено в работе Г. В. Курдюмова.

Классификация и маркировка сталей

 Классификация сталей

 Стали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому: составу: углеродистые и легированные.

2. По содержанию углерода:

   • низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;

   • среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;

   • высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %

3. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

4. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:

   • , – углеродистые стали обыкновенного качества:

   • – качественные стали;

   • – высококачественные стали.

5. По способу выплавки:

   • в мартеновских печах;

   • в кислородных конверторах;

   • в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

6. По назначению:

   • конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

   • инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

   • специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

 Маркировка сталей

 Принято буквенно-цифровое обозначение сталей

 Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380).

 Стали содержат повышенное количество серы и фосфора

Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 - это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

 Качественные углеродистые стали

 Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности, в основном, спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Сталь У8, сталь У13.

Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.

Сталь У10А.

 Качественные и высококачественные легированные стали

 Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, Обозначаются буквами русского алфавита.

Обозначения легирующих элементов:

Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам,

К – кобальт, Т – титан, А – азот ( указывается в середине марки),

Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний,

П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий,

Ю – алюминий

 Легированные конструкционные стали

Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначение элемента, показывает его содержание в процентах,

Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %.

В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

 Легированные инструментальные стали

 Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается,

Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

 Быстрорежущие инструментальные стали

 Сталь Р18

Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама.

В указанной стали содержание вольфрама – 18 %.

Если стали содержат легирующие элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

 Шарикоподшипниковые стали

 Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС

Ш – индекс данной группы сталей. Х – указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях, соответственно, 0,6 % и 1,5 %. Также указываются входящие с состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1 %.

Легированные стали

 Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а стали – легированными.

Cодержание легируюшихх элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.

Достоинства легированных сталей:

• особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;

• улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям ( );

• легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

• возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

• повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

• подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;

• в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

• склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

• склонны к образованию флокенов.

Флокены – светлые пятна в изломе в поперечном сечении – мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение водорода, растворенного в стали.

При быстром охлаждении от 200^o водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов.

Меры борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале флокенообразования.

Классификация легированных сталей

 Стали классифицируются по нескольким признакам.

1. По структуре после охлаждения на воздухе выделяются три основных класса сталей:

• перлитный;

• мартенситный;

• аустенитный

Стали перлитного класса характеризуются малым содержанием легирующих элементов; мартенситного – более значительным содержанием; аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов.

Классификация связана с кинетикой распада аустенита. Диаграммы изотермического распада аустенита для сталей различных классов представлены на рис. 17.3

Рис.17.3. Диаграммы изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

 

По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температупная область мартенситного превращения снижается.

Для сталей перлитного класса кривая скорости охлаждения на воздухе пересекает область перлитного распада (рис. 17.3.а), поэтому образуются структуры перлита, сорбита или троостита.

Для сталей мартенситного класса область перлитного распада сдвинута вправо (рис.17.3 б). Охлаждение на воздухе не приводит к превращению в перлитной области. Аустенит переохлаждается до температуры мартенситного превращения и происходит образование мартенсита.

Для сталей аустенитного класса увеличение содержания углерода и легирующих элементов сдвигает вправо область перлитного распада, а также снижает мартенситную точку, переводя ее в область отрицательных температур (рис. 17.3.в). Сталь охлаждается на воздухе до комнатной температуры, сохраняя аустенитное состояние.

2. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):

• низколегированные – 2,5…5 %;

• среднелегированные – до 10 %;

• высоколегированные – более 10%.

3. По числу легирующих элементов:

• трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент);

• четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и так далее.

4. По составу:

никелевые, хпомистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов).

5. По назначению:

• конструкционные;

• инструментальные (режущие, мерительные, штамповые);

• стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства –нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами).