Химико-термическая обработка стали

  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.

  Нагрев  до температуры цементации (910 – 930 ˚С) составляет 7 – 9 мин. на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5 – 6,5 ч для слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1,2 – 1,5 мм. При большом размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя  толщиной 0,7 – 0,9 мм продолжительность выдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1,2 – 1,5 мм – 11 – 14 ч.

  После цементации ящики охлаждают на воздухе  до 400 – 500 ˚С и затем раскрывают.

  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.

  Газовая цементация.

  Этот  процесс осуществляют нагревом изделия  в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд  преимуществ по сравнению с цементацией  в твердом карбюризаторе, поэтому  ее широко применяют на заводах, изготовляющих  детали массовыми партиями.

  В случае газовой цементации можно  получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость  прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

  Наиболее  качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана (CH₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация окиси углерода и метана:

  2CO→CO₂ + C_ат.

  или

  CH₄→2H₂ + C_ат,  Cат→Feγ=аустенит  Fe_γ(С).

  Процесс ведут при 910 – 930 ˚С, 6 – 12 ч (толщина  слоя 1,0 – 1,7 мм)

  В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах серии Ц (рис. 4). Шахтные печи серии Ц (Ц-35Б, Ц-60Б, Ц-75Б, Ц-105Б) имеют рабочую температуру 950˚С, единовременную загрузку 185 – 1100 кг, диаметр рабочего пространства 300 – 600 мм и высоту 600 – 1200 мм². Изделия в печь загружают на специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче (с помощью специальной капельницы) в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин, синтин, спирты и т.д.). Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с активного углерода и водорода. 
 
 
 

   Рис. 4. Шахтная муфельная  электропечь серии  Ц: 1 – футеровка; 2 – нагревательные элементы; 3 – муфель; 4 – решетка; 5 – загрузочная корзина; 6 – подставка под корзину; 7 – подставка под муфель; 8 – кожух; 9 – монтаж проводов; 10 – механизм подъема и поворота крышки; 11 – патрубок для отбора газа на анализ; 12 – газовая свеча; 13 – подвод карбюризатора; 14 – вентилятор; 15 – крышка.  

  На  предприятиях с серийным масштабом  производства также применяют камерные универсальные печи с герметизированной  форкамерой и закалочным баком. В  таких печах исключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектов на поверхности изделий, снижается прочность.

   В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию производят в  безмуфельных печах непрерывного действия (рис. 5). В этих установках весь цикл химико-термической  обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован и автоматизирован; производительность таких установок достигает 500 – 600 кг/ч и более. В этих печах обрабатываемые детали размещаются в поддонах, перемещаемых

  Рис. 5. Безмуфельная печь непрерывного действия для газовой цементации:

  1 – гидравлический толкатель; 2 –  загрузочный тамбур; 3 – вентиляторы  для циркуляции атмосферы печи; 4 – радиационные трубы для нагрева; 5 – охлаждающие трубы зоны подстуживания; 6 – разгрузочный тамбур; 7 – закалочный бак; 8 – горелки; 9 – маслонасосная установка; 10 – вытаскиватель поддона  

  толкателями вдоль рабочей камеры. Закалка  производится непосредственно из цементационной печи. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92 – 95% эндогаза и 3 – 5% природного газа). Эндотермическая атмосфера (20% CO, 40% Н₂ и 40% N₂) получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000 – 1200 ˚С в присутствии катализатора.

  В генераторе протекает следующая  реакция:

  CH₄ + 0,5(O₂ + 3,8N₂) → CO + 2H₂ + 1,9N₂.

  Основное  преимущество эндотермической атмосферы  – возможность автоматического  регулирования углеродного потенциала, под которым понимают ее науглероживающую способность, обеспечивающую определенную концентрацию на поверхности цементованного слоя. Углеродный потенциал эндотермической атмосферы устанавливают о точке росы³ или содержанию в ней СО₂, поскольку концентрации водяных паров и СО₂ взаимосвязаны.

  При небольшом содержании в эндотермической  атмосфере СН₄ (до 5,0%) он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО:

  СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂

  СН₄ + СО₂ ↔ 2СО + 3Н₂

  В этих условиях на поверхности стали  практически не выделяется сажа и  сохраняется однозначная зависимость  между углеродистым потенциалом  и содержанием Н₂О и СО₂ в атмосфере.

  Для сокращения длительности процесса в  промышленности широко используют газовую  цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы  вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2 – 1,3% С, а затем его снижают до 0,8%.

  В печах непрерывного действия предусмотрены  две зоны по длине печи. В первую зону, примерно соответствующую ⅔ длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного и эндотермического газов (углеродный потенциал атмосферы 1,2 – 1,3% С). Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. При использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое от 1,2 – 1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов (в результате образования карбидов) приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Это приводит к окислению, например, Cr, Mn, Ti и других элементов поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим сродством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое образуются трооститная сетка и окислы, что понижает твердость и предел выносливости стали. Добавки к цементирующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления.

  Азот, растворяясь в аустените, повышает его устойчивость, частично восполняя  потери хрома и марганца. Однако следует иметь в виду, что при  высоком содержании в атмосфере аммиака в диффузионном слое может образоваться так называемая темная составляющая (видимо, поры с окисленными стенками), снижающая механические свойства стали. Для устранения внутреннего окисления рекомендуется использовать стали, дополнительно легированные никелем и молибденом.

  Скорость  газовой цементации при температуре 930 – 950˚С составляет 0,12 – 0,15 мм/ч при  толщине слоя до 1,5 – 1,7 мм.

  Термическая обработка стали  после цементации и свойства цементованных  деталей.

  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.

  В большинстве случаев, особенно при  обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки Ас₁ (сердцевины) при 820 – 850˚С.

  Это обеспечивает измельчение зерна  и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840 – 860 ˚С, для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле (160 – 180 ˚С).

  После цементации термическая обработка  иногда состоит из двойной закалки  и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 890 ˚С (выше точки Ас₃ 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. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном колебании, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

  В результате термической обработки  поверхностный слой приобретает  структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (15 – 20%) или мартенсита, остаточного аустенита и небольшого количества избыточных карбидов в виде глобулей.

  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.

  При одинарной закалке высоколегированной сталей в структуре цементованного слоя сохраняется большое количество (до 50 – 60% и более) остаточного аустенита, снижающего твердость. Такие стали после закалки обрабатывают холодом, что способствует переводу большей части остаточного аустенита в мартенсит, в результате чего повышается твердость. Например, твердость хромоникелевой стали после цементации и закалки составляет HRC 52, а после обработки холодом возрастает до HRC 60 – 62.