¨ Цементация в пастах.
¨ Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.
¨ Газовая цементация.
¨ Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.
¨ Цементация с нагревом т. в. ч.
¨ Ионная цементация.
¨ Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.
¨ Цементация в жидкой среде.
¨ Цементация в расплавленном чугуне.
Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она используется довольно часто.
Газовая цементация.
Возможность цементации стали в газовой среде была показана еще в работе П. П. Аносова, выполненной в 1837 году. Однако только почти через сто лет (в 1935 г.) этот процесс начали впервые внедрять в производство в высокопроизводительных муфельных печах непрерывного действия на автозаводе им. Лихачева. При этом в качестве газового карбюризатора была использована среда, получаемая при пиролизе и крекинге керосина.
Для газовой цементации пока еще часто применяют шахтные муфельные печи и печи непрерывного действия с длинными горизонтальными муфелями из окалиностойкого сплава. Изредка применяют также печи с вращающимися ретортами. В последние годы начали получать все большее распространение безмуфельные печи непрерывного действия, нагреваемые излучающими трубками из стали Х23Н18 или Х18Н25С2.
Детали загружают в печи в поддонах (в корзинах) или в различных приспособлениях, на которых они располагаются на расстоянии 5 - 10 мм между цементуемыми поверхностями; мелкие детали загружают навалом на этажерки, помещаемые в корзины.
Для газовой цементации используют различные карбюризаторы - газы: природный (92 - 97% СН4); природный разбавленный для городских нужд (60 - 90% СН4); светильный (20 - 35% СН4, 5 - 25% СО): нефтяной (50 - 60% СН4): коксовый (20 - 25% СН4, 4 - 10% СО); сжиженные: пропан, бутан, пропано-бутановая смесь.
Сложные углеводороды, которые входят в состав карбюризаторов или образуются при из разложении в результате ряда промежуточных реакций, распадаются в основном до метана. При крекинге углеводородов, который производится для снижения их активности или получения эндогаза, образуется также СО. Таким образом, химизм выделения атомарного углерода при газовой цементации сводится к распаду метана и окиси углерода.
СН4 = С + 2Н2.
2СО = СО2 + С.
Метан является более активным карбюризатором чем окись. Для науглероживания железа при 900-1000 0С в смеси СН4;-Н2 достаточно наличия всего лишь нескольких процентов метана, тогда как для цементации в смеси СО-СО2 необходима концентрация около 95-97% СО.
Свойства цементованной стали.
Оптимальное содержание углерода в поверхностной зоне цементованного слоя большинства сталей 0,8-0,9%C, при таком его количестве сталь обладает высокой износостойкостью. Дальнейшее увеличение содержание углерода уменьшает пределы выносливости и прочности стали при статических и динамических испытаниях. Однако наиболее износостоек цементованный слой при несколько повышенном содержании в нем углерода (по некоторым данным до 1,2% С). при этом после термической обработки цементованный слой должен иметь структуру мелкоигольчатого или скрытокристаллического мартенсита с мелкими глобулями карбидов и небольшим количеством остаточного аустенита.
Цементация повышает предел выносливости стали. Объясняется это, возникновением в слое остаточных сжимающих напряжений в связи с неодинаковым изменением объема слоя и сердцевины стали в процессе цементации и закалки. Наибольшее повышение предела выносливости достигается при цементации на сравнительно небольшую глубину, когда цементованный слой приобретает после закалки мартенситную структуру с минимальным количеством остаточного аустенита, в результате чего в слое возникают максимальные сжимающие напряжения.
АЗОТИРОВАНИЕ - процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя заготовок, изготовленных из легированных сталей. Такие легирующие элементы, как алюминий, хром, молибден и др., при азотировании образуют с азотом твердые и стойкие химические соединения- нитриды.
Азотированию, как и цементации, подвергают детали, работающие на износ и воспринимающие знакопеременные нагрузки. Азотированные детали имеют следующие преимущества: высокую твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном легированные стали определенных составов и процесс имеет большую продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается экономически целесообразным лишь для обработки ответственных инструментов и деталей авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.
Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном давлении и температуре до 1500 0С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.
Для насыщения целесообразнее использовать атомарный азот, образующийся в момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается выделением азота в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:
2NH3 = 2N + 6H
2N N2
6H 3H2.
Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том случае, когда диссоциация аммиака происходит в непосредственной близости от азотируемой поверхности.
Свойства азотированной легированной стали.
Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных и нитроцементованных сталей.
Азотирование снижает вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние концентраторов напряжений на снижение предела выносливости стали и существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей, работающих в некоторых коррозионных средах.
Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию металла под нагрузкой и особенно при повышенных температурах.
Азотированная сталь обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость сохраняется после воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА сохраняет свою твердость при нагреве до 500-520 0С в течение нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против воздействия температур (до 600 0С) имеет аустенитная сталь. Однако при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный слой постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и происходит глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе азотирования, так и при длительном нагреве во время эксплуатации.
В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной стали (в среде воздуха, водопроводной воде, перегретом паре, слабых щелочных растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей хромистой стали некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей также понижается. Это объясняется тем, что в азотированном слое этих сталей из твердого раствора устраняется значительная часть хрома, входящего в состав образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых составов, например с малым содержанием никеля, это может сопровождаться даже выпадением в азотированном слое -фазы, в результате чего поверхностный слой становится слегка магнитным.
Азотированная сталь обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей воды и водяного пара.
ЦИАНИРОВАНИЕ заключается в одновременном насыщении поверхностей заготовок азотом и углеродом. Процесс цианирования может выполняться в жидкой и газовой среде. В зависимости от температуры цианирование подразделяется на низкотемпературное (530-650) и высокотемпературное (800-930). При цианировании используются ядовитые вещества.
Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом:
№1 NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na2CO3 25-50%, температура цианирования 840-870 0С, продолжительность процесса - 1ч.
№2 цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl2 55%.
Реакции идущие в ванне №1:
2NaCN + O2 = 2NaCNO
2NaCNO + o2 = Na2CO3 + 2N + CO.
реакции идущие в ванне №2:
Ca(CN)2 = CaCN2 + C
CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N
2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.
После цианирования непосредственно из ванны производится закалка.
Структура нитроцементованного и цианированного слоя.
При цианировании при 850-900 0С в цианистых ваннах, содержащих цианплав, и при глубоком цианировании при 900-950 0С в низкопроцентных ваннах с цианистым натрием и хлористым барием сталь с поверхности насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при цементации, и лишь немного азотом. При цианировании в ванне №1 сталь насыщается углеродом несколько меньше, чем при цементации, а азотом в поверхностной зоне слоя больше, чем в других ваннах.
Низкотемпературная нитроцементация и цианирование.
Низкотемпературной нитроцементации и цианированию при 560-700 0С подвергаются стали различного назначения для повышения их поверхностной твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и противозадирных свойств. Обычно такая обработка проводится при 560-580 0С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной температуры существования -фазы в системе Fe - N. Поэтому в процессе обработки при такой температуре на стали образуется, по существу, азотированный слой, а углерод проникает на глубину лишь нескольких микрон, где может образовываться тонкая карбонитридная зона.
Свойства нитроцементованной и цианированной стали.
Нитроцементованная и цианированная конструкционная сталь благодаря присутствию азота более износостойка, чем цементованная.
Нитроцементация и цианирование существенно повышают предел выносливости, причем нитроцементация в большей степени, чем цианирование, а в ряде случаев в большей степени, чем цементация.
При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода в слое. Поэтому в цианированном слое количество остаточного аустенита всегда больше, чем в нитроцементованном.
В связи с этим сжимающие напряжения создаются в цианированном слое лишь на некотором расстоянии от поверхности, что приводит к снижению предела выносливости стали. Этим и объясняется меньшая долговечность цианированных деталей по сравнению с нитроцементованными.
При цианировании необходимо производить наклеп деталей дробью, создающий на поверхности (вследствие превращения остаточного аустенита в мартенсит) высокие напряжения сжатия. Усталостные испытания зубьев цианированных зубчатых колес на изгиб с циклической нагрузкой показали, что наклеп дробью повышает предел выносливости с 43 до 72 кГ/мм2.
Испытания на стенде показали, что после наклепа дробью стойкость (до разрушения) цианированных зубчатых колес увеличилась с 9 до 140 ч.
Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая на поверхности тонкий нетравящийся карбонитридный слой (что бывает не всегда), корродирует медленнее нецианированной стали. Например, в 3%-ном растворе поваренной соли стойкость такой стали против коррозии в 2 раза выше, чем нецианированной. Коррозионная стойкость нержавеющих сталей после нитроцементации и цианирования снижается.
ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ - это процесс насыщения поверхностного слоя заготовок различными химическими элементами при совместном их нагревании и выдержке. В зависимости от используемого элемента процессы металлизации получили названия: алитирование, хромирование и т. д.
Диффузионная металлизация может выполняться в твердых, жидких и газообразных средах. Этот процесс обеспечивает повышение твердости, коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости поверхностей деталей.
Основным недостатком диффузионной металлизации является малая глубина металлизированного слоя (0.2-0.4 мм) при относительно большой длительности процесса.
