Химико-термическая обработка стали

  Для разложения остаточного аустенита  после цементации чаще применяют  высокий отпуск при 630 – 640 ˚С, после  чего следует закалка с пониженной температуры и низкий отпуск. Такая  обработка также обеспечивает высокую  твердость цементованного слоя. Структура  сердцевины обусловлена составом обрабатываемой стали и принятым режимом закалки. Сердцевина деталей из углеродистой стали состоит из феррита и перлита (сорбита), а из легированных сталей – из феррита и мартенсита (или бейнита) при закалке с температуры ниже Ас₃ (для сердцевины), а также из бейнита или низкоуглеродистого мартенсита при закалке с температуры выше Ас₃. Низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Сохранение обособленных участков или сетки феррита нежелательно, так как это сопровождается значительным снижением прочности, пластичности и вязкости цементованных изделий. Твердость сердцевины для различных сталей составляет HRC 20 – 40.

  Цементация  с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий вследствие образования  в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия (до 40 – 50 кгс/мм²) и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений при условии непрерывной протяженности упрочненного слоя по всей упрочняемой поверхности детали. Например, после цементации на глубину 1,0 мм закалки и отпуска хромоникелевой стали (0,12% С; 1,3% Cr; 3,5% Ni) предел выносливости образцов без концентраторов напряжений увеличился от 56 до 75 кгс/мм², а при наличии надреза от 22 до 56 кгс/мм². Цементованная сталь обладает высокой износостойкостью и контактной прочностью, которая достигает 200 кгс/мм². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

III  Азотирование 

  Азотированием называют процесс диффузионного  насыщения поверхности слоя стали  азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 600 ˚С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 ˚С

  Механизм  образования азотированного слоя.

  В сплавах железа с азотом образуется следующие фазы (рис. 6): твердый раствор  азота в α-железе (α-фаза); γ´-фаза – твердый раствор на основе нитрида  железа Fe₄N (5,7 – 6,1% N); ε-фаза – твердый раствор на базе нитрида железа Fe₃N (8 – 11,2% N). В сплавах с 11,35% N при 450 ˚С возможно образование ξ-фазы Fe₂N.

   При температуре выше 591 ˚С существует γ-фаза, представляет собой твердый  раствор азота в γ-железе. При 591 ˚С γ-фаза претерпевает эвтектоидный распад. Азотистый эвтектоид содержит 2,35% N и состоит из α-γ̒-фаз.

  Рис. 6. Диаграмма состояния  Fe – N (а) и изменение содержания азота (б) и микроструктуры (в х 250) по толщине азотированного слоя, полученного при 600 ˚С на железе. 

  Азотирование  проводят в атмосфере аммиака, который  при нагреве диссоциирует⁴ по уравнению 2NH₃ → 2N + 6H.

  Образовавшийся  атомарный азот диффундирует в железо. Если выполнять азотирование при температуре ниже эвтектоидной (591 ˚С), то в начальный момент насыщения на поверхности стали образуется α-фаза (рис. 6,а). По достижении предела насыщения α-фазы начинается образование следующей фазы, стабильной при данной температуре, а именно γ´-фазы. При дальнейшем насыщении азотом образуется ε-фаза. Следовательно, в результате диффузии в азотированном слое располагаются в поверхностной зоне наиболее богатая азотом ε-фаза, несколько ниже γ´- и α-фаза.

  С понижением температуры ε- и α-фазы в соответствии с диаграммой состояния (см. рис. 6,в) распадаются, выделяя избыточную γ´-фазу. В связи с этим после  медленного охлаждения фазы в диффузионном слое можно расположить в следующем  порядке от поверхности к сердцевине: ε + γ´_II → γ´ → α+ γ´_II → α → сердцевина (с исходной структурой).

  При выполнении азотирования выше эвтектоидной температуры, например t_д (рис. 6), сначала возникает α-фаза, затем по достижении ее предела насыщения образуется γ-фаза, после насыщения которой на поверхности появляется γ´-фаза, и, наконец, ε-фаза. Таким образом, при температуре диффузии азотированный слой состоит из следующих фаз (от поверхности к сердцевине): ε → γ´ → γ´ → α. При медленном охлаждении ε- и α-фазы распадаются и выделяют избыточную γ´-фазу (Fe₄N),а γ-фаза претерпевает эвтектоидное превращение, распадаясь на эвтектоидную структуру α + γ´. Тогда при 20 ˚С азотированный слой будет состоять из ε + γ´ → γ´ → α + γ´ (эвтектоид) → α + γ´_II → α (см. рис. 6).

  Переход от одной фазы к другой сопровождается резким перепадом концентрации азота, так как двухфазные слои (ε + γ´ или  α + γ´) при температуре насыщения  железа азотом существовать не могут (см. рис. 6). При насыщении легированных сталей при температуре диффузии могут образовываться многофазные слои.

  Стали для азотирования.

  Твердость слоя, получаемого при азотировании железа, невелика, поэтому азотированию подвергают среднеуглеродистые легированные стали, которые приобретают особо высокую твердость и износостойкость. При азотировании легированных сталей образуются нитриды специальных элементов. При низких температурах азотирования в α- твердом растворе образуются сегрегации типа зон Гинье – Престона. При высоких температурах возникают дисперсные нитриды легирующих элементов (Cr₂N, Mo₂N, VN и др.). Зоны Гинье – Престона и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Наиболее сильно повышают твердость алюминий, хром, молибден и ванадий. Стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием и не содержащие алюминия, после азотирования имеют твердость HV 600 – 950. Эти стали часто применяют для азотирования.

  Если  главным требованиям, предъявляемым  к азотированному слою, является высокие  твердость и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую 0,35 – 0,42% С; 1,35 – 1,65% Cr; 0,7 – 1,10%Al и 0,15 – 0,25% Мо. Одновременно присутствие алюминия, хрома и молибдена позволяет повысить твердость азотированного слоя до HV 1200. Молибден, кроме того, устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования. Легирующие элементы, повышая твердость, одновременно уменьшают, при прочих равных условиях, толщину слоя. Для повышения коррозионной стойкости можно азотировать и углеродистые стали.

  Износостойкость азотированной стали выше, чем  цементованной и закаленной. В  азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых  на поверхности составляет 60 – 80 кгс/мм². Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного  разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30 – 40%, а при наличии концентратов напряжений (острых надрезов) более чем на 100%.

  Технология  процесса азотирования.

  Технологический процесс предусматривает несколько  операций, приведенных ниже:

1. Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия.

  Закалку стали 38Х2МЮА выполняют с нагревом до 930 – 950 ˚С с охлаждением в воде или масле. Отпуск проводят при высокой  температуре 600 – 675 ˚С, превышающей  максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска – сорбит.

2. Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.
3. Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01 – 0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.
4. Азотирование
5. Окончательное шлифование или доводка изделия.

   Азотирование  тонкостенных изделий сложной конфигурации рекомендуется выполнять 500 – 520 ˚С. Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщины (рис. 7). Снижение твердости азотированного слоя связанно с коагуляцией нитридов легирующих элементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3 – 0,6 мм. Процесс азотирования при 500 – 520 ˚С в этом случае является продолжительным и составляет 24 – 60 ч.

  Рис. 7. Влияние температуры  и продолжительности  азотирования на твердость  и толщину азотированного слоя: 1 – сталь 38ХМЮА; 2 – легированные конструкционные стали (40Х, 40ХНМА, 18Х2Н4ВА и др.); 3 – углеродистые стали. 

  В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия  в следствие увеличение объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

  Для ускорения процесса азотирования нередко  применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 – 520 ˚С, а затем при 540 – 560 ˚С. При  двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печкой в потоке аммиака (до 200 ˚С) во избежание окисления поверхности.

   Рис 8. Шахтная муфельная  печь США-8.12/6.Л1:

  1 – Каркас печи; 2 – вентилятор; 3 – крышка; 4 – муфель;5  – футеровка; 6 – нагреватели; 7 – крестовина; 8 – направляющий экран. 

  Азотирование  чаще ведут в шахтных печах (рис. 8) с принудительной циркуляцией газа и максимальной рабочей температурой 600 или 700 ˚С. Шахтные печи (США) выпускаются с двумя сменными муфелями или с одним стационарным.

  Первый  муфель после окончания процесса азотирования вынимается из печи и  охлаждается на воздухе, в печь загружается второй муфель с деталями. При азотировании крупногабаритных изделий более экономичны печи с одним муфелем.

  Значительное  сокращение (в 2 – 3 раза) общего времени  процесса достигается при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разряженной азотосодержащей атмосфере (NH₃ или N₂) при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду – катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии: 1. Очистка поверхности катодным распылением; 2. Собственно насыщение.

  Катодное  распыление проводят в течении 5 – 60 мин при напряжении 1100 – 1400 В и  давлении 0,1 – 0,2 мм рт. ст. В процессе катодного распыления температура  поверхности детали не превышает 250 ˚С. Температура азотирования 470 – 580 ˚С, давление 1 – 10 мм рт. ст., рабочее  напряжение 400 1100 В, продолжительность  процесса составляет от 1 до 24ч.

  В последние годы получило применение азотирование при 570 ˚С в течении 1,5 – 3,0 ч в атмосфере, содержащей 50% эндогаза и 50% аммиака или 50% пропана (метана) и 50% аммиака. В результате такой  обработки на поверхности стали  образуется тонкий карбонитридный слой Fe₃(N, C), обладающий меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая ε-фаза. Твердость карбонитридного слоя легированных сталях HV 600 – 1100. Такая обработка сильно повышает предел выносливости изделий. 
 
 

  Азотирование  в жидких средах (тенифер  – процесс)⁵

  Процесс проводят при 570 ˚С в течении 0,5 – 3,0 ч в расплавленных цианистых  слоях (85% соли, содержащей 40% KCNO и 60% NaCN + 15% Na₂CO₃ или 55% карбамида [(NH₂)₂CO] и 45% Na₂CO₃, через которые пропускают сухой воздух). Соли расплавляются в тигле из титана. В следствие низкой температуры в сталь диффундирует в основном азот, образующийся при разложении цианистых солей. В результате обработки на поверхности стали возникает тонкий (7 – 15 мкм) карбонитридный слой Fe₃(N, C), обладающий высоким сопротивлением износу и не склонный к хрупкому разрушению. Ниже карбонитридного слоя располагается слой, состоящий из твердого раствора азота в α-железе и избыточных кристаллов γ´-фазы. Общая толщина слоя 0,15 – 0,5 мм. Как и после газового азотирования, твердость слоя на углеродистых сталях HV 300 – 350, а на легированных HV 600 – 1100. Жидкое азотирование значительно повышает предел выносливости сталей. Достоинством процесса является незначительное изменение размеров и отсутствие коробления деталей, недостатком – токсичность и высокая стоимость цианистых солей. Этот процесс за рубежом широко применяется для обработки деталей автомобиля (коленчатых валов, шестерен и т. д.), штампов, пресс-форм и т. д.