Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

азота (рис. 152). Твердость азотированного слоя на железе

невелика ~300—350 HV. Поэтому азотированию подвергают

средне-углеродистые стали, легированные Сг, Мо, V, А1, которые

приобретают высокую твердость и износостойкость при

азотировании. В легированной стали на поверхности образуются

легированные ε- и γ'-фазы: (Fe, M)

N и (Fe, M)

N. Такие

элементы, как Сr, Мо, V и другие, растворенные в феррите

(подслой), повышают растворимость азота в α-фазе и образуют

специальные нитриды MN и M

N (см. рис. 151, в).

При низких температурах азотирования в α-твердом растворе

первоначально образуются сегрегации типа зон Гинье—Престона.

При более высоких температурах возникают дисперсные нитриды

легирующих элементов (Cr, М

О, V и др.). Зоны Гинье—Престона

и обособленные выделения нитридов препятствуют движению

дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного

слоя. Наиболее сильно повышают твердость А1, Сr, Мо и V.

Толщину слоя легирующие элементы уменьшают.

Если главными требованиями, предъявляемыми к

азотированному слою, являются высокие твердость на поверхности

и износостойкость, то применяют сталь 38Х2МЮА, содержащую

0,35— 0,42 % С; 1,35—1,65 % Сr; 0,7—1,10 % А1 и 0,15—0,25 %

Мо, остальное Fe. Одновременное присутствие алюминия, хрома и

молибдена позволяет повысить твердость азотированного

слоя на поверхности до 1200 HV. Молибден, кроме того,

устраняет отпускную хрупкость, которая может

возникнуть при

медленном охлаждении от температуры азотирования.

241

Однако алюминий придает азотированному слою повышенную

хрупкость. Поэтому все шире применяют стали, легированные Сг

(1—3 %), Мо (0,2—0,4 %), V (до 1,0—1,2 %). Эти стали имею

пониженную твердость на поверхности 700—950 HV, но при

прочих равных условиях большую эффективную толщину

азотированного слоя (до 400—500 HV), что позволяет сократить

длительность процесса. Для повышения коррозионной стойкост

можно азотировать и углеродистые стали.

Износостойкость азотированной стали выше, чем

износостойкость цементованной и закаленной. В азотированном

слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых

на поверхности составляет 600—800 МПа. Это повышает предел

выносливости и переносит очаг усталостного разрушения по

азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов

возрастает на 30—40 %, а при наличии концентраторов

напряжений (острых надрезов) — более чем на 100 %.

Технология процесса азотирования. Технологический процес

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 сердцевин

изделия.

Отпуск проводят при высокой температуре 600—675 °С

превышающей максимальную температуру последующего

й ,

тонкой

оя .

но

242

азотирования и обеспечивающей получение твердости, при

которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали

после этого отпуска — сорбит.

2. Механическая обработка детале , 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 не

проницаемой для азота пленки.

4. Азотирование.

5. Окончательное шлифование или доводка

изделия

Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации

из стали 38Х2МЮА рекомендуется выполнять при 500—520 °С

Длительность процесса зависит от требуемой толщины

азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем

ниже твердость азотированного слоя и больше толщина сл (рис

1 н ан53). С ижение твердости азотиров ного слоя связа 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.

Для ускорения процесса азотирования применяют

двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при

500—520 °С, а затем при 540—560 °С. При двухступенчатом

процессе сокра-

щ м

изменяются, но очень мало,

азот

д щ м

H дение после азотирования

про аммиака 0 °

избе

азотирование), которое

проводят

М талью) и анодом возбуждается тлеющий разряд,

243

ается продолжительность процесса, при это сохраняется

ысокая твердость слоя.

В процессе насыщения азотом

азм

еры изделия вследствие увеличения объема поверхностного

лоя. Деформация возрастает при повышении температуры

ирования и толщины слоя.

Стали, не содержащие алюминий (Cr—Mo—V-стали),

зотируют при 570 °С в течение 6—10 ч, что обеспечивает

остаточную тол ину слоя 0,3—0,4 м, высокую твердость (~800

V) и износостойкость. Охлаж

водят вместе с печью в потоке (до 20 С) во

жание окисления поверхности.

олучило применение азотирование при 570 °С в течение 5-10 ч П

атмосфере, содержащей 50 % эндогаза и 50 % аммиака или 50 %

етана и 50 % аммиака. В результате такой обработки на

оверхности етали образуется тонкий карбонитридный слой (Fe,

)

2-3

(N, С), обладающий меньшей хрупкостью и более высокой

зносостойкостью, чем чисто азотистая е-фаза. Твердость

арбонитридного слоя на легированных сталях 600—1100HV.

акая обработка вильно повышает предел выносливости изделий.

Ионное азотирование. В последние годы получило применение

азотирование в тлеющем разряде (ионное

в разреженной азотсодержащей атмосфере (NH

или N)

ри подключении обрабатываемых деталей к отрицательному

лектроду — катоду. Анодом является контейнер установки.

ежду катодом (де

и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее

до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования

реализуется в две стадии: первая — очистка поверхности катодным

распылением; вторая — собственно насыщение.

Катодное распыление проводят в течение 5—60 мин при

напряжении 1100—1400 В и низком давлении. В процессе

катодного распыления температура поверхности детали не

превышает 250 °С Азотирование ведут при температуре 470—580

°С, рабочем напряжении 400—1100 В, продолжительности

процесса 1—24 ч.

Ионное азотирование сокращает общую длительность процесса

позволяет получить диффузионный слой регулируемого состава

и строения, незначительные деформации и обладает большо

экономичностью.

Азотирование в жидких средах (тенифер-процесс)

. Процесс

проводят при температуре 570 °C в течение 0,5—3,0 ч

расплавленных цианистых солях (85 % соли, содержащие 40 %

KCNO и 60 % NaCN + 15 % NO

или 55 % карбамид

(NH

)

CO и 45 % Na

, через которые пропускают сухой воздух

Соли расплавляются в тигле из титана. Вследствие низкой

температуры в сталь диффундирует в основном азот

образующийся при разложении цианистых солей. В результате

обработки на поверхности стали возникает тонкий (7—15 мкм)

C),

у .

слоя располагается слой, состоящий из

тв

д н

1100 HV. Жидкое азотирование

зн но

244

карбонитридный слой (Fe, М)

2-3

(N, обладающий высоким

сопротивлением износу и не вклонный к хр пкому разрушению

Ниже карбонитридного

ердого раствора азота в α-железе и избыточных кристаллов γ'-

фазы. Общая толщина слоя 0,15—0,5 мм. Как и после газового

азотирования, твер ость слоя а углеродистых сталях 300—350

HV, а на легированных — 600—

ачитель повышает предел

ыносливости сталей. Достоинством

процесса является незначительное изменение размеров и

отсутствие коробления деталей, недостатком — токсичность и

высокая стоимость цианистых солей. Этот процесс за рубежом

широко применяют для обработки деталей автомобиля (коленчатых

валов, шестерен и т. д.), штампов, npecс форм и т. д.

4. ЦИАНИРОВАНИЕ

Цианированием называют процесс диффузионного

насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и

азотом при температуре 820—950 °С в расплавленных солях,

содержащих группу NaCN.

Среднетемпературное цианирование. В этом процессе изделие

нагревают до 820—860 °С в расплавленных солях, содержащих

NaCN. Для получения слоя небольшой толщины (0,15—0,35 мм)

Тенифер (Tenifer) — от начальных слогов трех латинских слов: tenax — твердый;

nitrogenium — азот; ferrum — железо.

2 % 6 2

роцесс ведут при температуре 820—860 °С в ваннах (20—

5 NaCN, 2 —50 % NaCl и 5—50 % Na

родолжительность процесса обусловлена требуемой толщиной

лоя и составляет 30—90 мин.

Цианистый натрий в процессе цианирования окисляется

ислородом воздуха, и происходят следующие реакции:

Выделяющийся атомарный углерод и азот диффундируют

сталь. Цианированный слой, полученный при температуре 820—

60 °С, содержит 0,7 % С и 0,8—1,2 % N.

Цианирование при указанных сравнительно невысоких

емпературах позволяет выполнять закалку непосредственно из

ианистой ванны. После закалки следует низкотемпературный

тпуск (180—200 °С). Твердость цианированного слоя после

ермической обработки HRC 58—62. Цианированный слой по

равнению с цементованным обладает более высокой

зносостойкостью и эффективно повышает предел выносливости.

тот вид цианирования применяют для упрочнения мелких

еталей.

Высокотемпературное цианирование. Для получения слоя

ольшей толщины (0,5—2,0 мм) применяют высокотемпературное

ли глубокое цианирование при 930—950 °С в ванне,

одержащей 8 % NaCN, 82 % ВаС1

и 10 % NaCl (состав ванны до

асплавления). Зеркало ванны покрывают слоем графита во

збежание больших потерь теплоты и угара цианистых солей.

ремя выдержки изделий в ванне для получения слоев указанной

олщины составляет 1,5—6 ч.

При цианировании в ванне протекают следующие реакции:

Выделяю ы

1, азотом (0,2—0,3 %). Строение

циан

вы

во

в оляной ванне

или печи и подвергают низкотемпературному

отпуску.

требу чения слоя заданной толщины,

245

щийся атомарн й углерод и азот диффундируют

железо. При указанных высоких температурах сталь с

оверхности в большей степени насыщается углеродом (до 0,8—

2 %) и в меньшей —

ированного слоя аналогично цементованному. После

сокотемпературного цианирования детали охлаждают на

здухе, а затем для измельчения зерна закаливают с нагревом

роцесс цианирования по сравнению с процессом цементации

ет меньшего времени для полу

характеризуется значительно меньшими деформациями и

короблением деталей сло ной формы и более высоким

сопротивлением износу и коррозии.

Недостатком цианирован

я ,

я с

5 и

)

а,

ия является высока стоимость

довитость цианистых солей и необходимость в вязи с этим

принятия специальных мер по охране труда.

5. БОРИРОВАНИЕ

Борированием называют химико-термическую

об диффузионномработку, заключающуюся в насыщении

поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей

среде. Бориро-вание чаще выполняют при электролиз

расплавленной буры (Na

). Изделие служит катодом

Температура насыщения 930—950 °С, выдержка 2—6 ч. Процес

можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными

хлористыми солями (NaCl, ВаС1

), в которые добавляют 20 %

ферробора или 10 % карбида бора (В

С). Хорошие результаты

получены при газовом бориро-вании. В этом случае насыщени

ведут при температуре 8 0— 900 °С в среде д борана (В

2 6

) или

треххлористого бора (ВС1

) в смеси с водородом.

Диффузионный слой состоит из боридов FeB (на поверхности

и Fe

B (рис. 154, д). Толщина слоя 0,1—0,2 мм. Борированный

слой обладает высокой твердостью (1800—2000 HV)

износостойкостью (главным образом, абразивной), коррозионной

стойкостью, окалиностойкостью (до 800 °С) и теплостойкостью.

Борирование применяют для повышения износостойкости

втулок грязевых нефтяных насосов, дисков пяты турбобур

вытяж-

ны о

ма я о у е

по .

м называют си-

лицированием. Силицирование придает стали высокую

коррозионную рской воде, в азотной, серной и

соляной кисл у уст

из

ра

на

из

ег

то

из

об

(ва

Си

ок

верхностное насыщение стали алюминием, хромом,

цинком и другими элементами называют диффузионным

насыщением металлами. Изделие, поверхность которого обогащена

этими элементами, приобретает ценные свойства, к числу которых

относятся высокая жаростойкость, коррозионная стойкость,

повышенная износостойкость и твердость.

В зависимости от метода переноса диффузионного элемента на

насыщаемую поверхность различают следующие основные способы

диффузионного насыщения металлами: 1) погружение в

расплавленный металл, если диффундирующий элемент имеет

низкую температуру плавления (например, алюминий, цинк); 2)

насыщение из расплавленных солей, содержащих

диффундирующий элемент (с электролизом и без электролиза); 3)

насыщение из суб-лимированной фазы путем испарения

диффундирующего элемента; 4) насыщение из газовой фазы

(контактным и неконтактным методом), состоящей из галогенных

соединений диффундирующего элемента.

Галогенные соединения диффундирующего элемента получают

путем воздействия галоидного или галоидводородного газа на

этот элемент или его ферросплав: Μ + n НГ

х, гибочных и ф рмовочных штампов, деталей пресс-форм и

шин для лить под давлением. Ст йкость казанных д талей

сле борирования возрастает в 2—10 раз

6. СИЛИЦИРОВАНИЕ

Насыщение поверхности стали кремние

стойкость в мо

отах и несколько величивает ойчивость против

носа.

Силицированный слой (рис. 154, г) является твердым

створом кремния в α-железе. Под диффузионным слоем часто

блюдается слой перлита. Эго объясняется оттеснением углерода

диффузионного слоя вследствие пониженной растворимости

о в кремнистом феррите.

Силицированный слой отличается повышенной пористостью,

лщина его 300—1000 мкм. Несмотря на низкую твердость 200—

0 HV, силицированный слой обладает высокой

носостойкостью после предварительной пропитки маслом при

0—200 °С.

Силицированию подвергают детали, используемые в

орудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности

лики насосов, трубопроводы, арматура, гайки, болты и т. д.).

лицирование широко применяют для повышения сопротивления

ислению при высоких температурах сплавов молибдена.

7. ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ МЕТАЛЛАМИ

По

⇔

+ (п/2)

. На границе раздела газовая фаза — обрабатываемая

поверхность могут протекать следующие реакции:

247

1) реакция обмена: МГ

+ Fe → FF

+ М;

2) реакция диссоциации: МГ

⇔

МГ

;

3) реакция диспропорционироваиия: МГ

+ Μ + МГ

, где Μ —

диффундирующий металл; Г — соответствующий галоид (CI, F,

Br); п и ие коэффициенты (целые числа).

Мета ся

)

ва дана

роцессе

нагрева азуется

плотная

еталл от

ни

я .

а ,

, с т х к

т — стехиометричеек

лл М, образующийся в результате реакции, адсорбирует

обрабатываемой поверхностью и диффундирует в глуб

обрабатываемого изделия. Наиболее часто применяют контактны

метод насыщения из разовой фазы. Для этого обрабатываемую

деталь упаковывают в порошкообразную ереду, состоящую и

ферросплава

диффундирующего элемента (50—75 %), А1

ил

шамота и 0,5—5,0 % NH

G1. При высокой температуре иде

реакция диссоциации NH

G1 → NH

+ HGl, при этом НС

взаимодействует с ферросплавом, образуя галоидные еоединени

диффундирующего элемента. Процеее ведут при температуре 950—

1 ч150 °С в течение 3—12 .

В последние годы насыщение металлами (например, хромом

проводят путем испарения диффундирующего элемента в вакууме

Насыщение поверхности стального изделия двумя и большим

числом компонентов (А1 и Si, Gr и Si, В и ΑΙ и др.) позволяет в

большей мере изменить свойст их поверхности. Ниже

характеристика наиболее часто применяемых процессов

диффузионной металлизации.

Алитирование — насыщение поверхности стали алюминием. В

результате алитирования сталь приобретает высокую

окалиностойкость (до 850—900 °С), так как в п

на поверхности алитированных изделий обр

пленка окиси алюминия А1

О , предохраняющая м

окисле я. Алитированный слой обладает также хорошим

сопротивлением коррозии в атмосфере и морской воде.

Структура алитированного слоя представляет собой тверды

раствор алюминия в α-железе (см. рис. 154, а). Концентраци

алюмини в поверхностной части слоя составляет ~30 %

Толщина слоя 200—1000 мкм. Твердость алитированного слоя (на

оверхности) до 500 HV, износостойкость низкая. Алитированию

подвергают топливники газогенераторных машин, чехлы термопар

детали разливочных ковшей, клапаны и другие дет ли

работающие при высоких температурах

Хромирование — насыщение поверхности етальных изделий

хромом. Этот процесс обеспечивает повышенную устойчивост

стали к газовой коррозии (окалиностойкость) при температуре

до 800 °С высокую коррозионную тойкос ь в таки средах, ка

вода, морская вода и азотная кислота. Хромирование сталей

содержащих свыше 0,3—0,4 % С, повышает также твердость

износостойкость.

Диффузионный слой, получаемый при хромировании

технического железа, состоит из твердого раствора хрома в α

железе

248

(см. омировании етали,

соде о тоит из карбидов хрома

Γ,

нахо

% ра л т

со

о арматуры, клапанов, вентилей,

патр

об

аз

тв

пр

аз

п и в

д ашин. На рис. 155 приведены схемы различных методов

П Поверхностное упрочнение достигается (ГОСТ 18296—

72): 1) дробеструйным наклепом за счет кинетической энергии

потока

249

рис. 154, б). Слой, полученный при хр

ржащей 0,3 % и более углер да, сос

Fe)

или (Cr, Fe)

. На рис. 154, в показана структура

ромированного елоя, полученного на стали с 0,45 % С. Слой

остоит из карбидов хрома (Cr,

Fe)

. Под елоем карбидо

дится переходный слой с высоким содержанием углерода (0,8

). Такие слои об зуются в резу ьта е диффузии углерода из

нутренних слоев к поверхности навстречу хрому. Углерод

бладает большей скоростью диффузии, чем хром, поэтому для

бразования карбидного елоя используется не весь углерод и под

арбидным слоем находится переходный слой с высоким

держанием

углерода. Карбидный слой обладает высокой

вердостью. Твердость слоя, полученного хромированием

елеза, 250—300 HV, а хромированием стали — 1200—1300 HV.

Хромирование используют для деталей паросилового

борудования, пароводяной

убков, а также деталей, работающих на износ в

грессивных средах.

опросы для самопроверки

1. Чем отличается химико-термическая обработка от термической

работки стали?

2. Насыщение железа проводится при температуре 1000 °С в ечение 6 ч

глеродом и хромом. В каком случае

будет больше толщина слоя и почему?

3. Что понимают под термином «эффективная толщина слоя»?

4. В каких случаях применяют цементацию, нитроцементацию и

отирование?

Какое строение (структуру) имеет цементованный и азотированный слой?

вяжите строение слоя с диаграммой состояния Fe—Fe

C и Fe—Ν.

6. Укажите преимущества газовой цементации перед цементацией в

ердом карбюризаторе.

7. Нужно получить диффузионный слой толщиной 1,5 мм и твердостью

HRC. Какой процесс обеспечит эти требования? Опишите техно

логию

инятого процесса.

8. При каких температурах проводится процесс цементации? Почему?

9. Какая термическая обработка и зачем проводится после цементации

нитроцементации?

10. Какова структура цементованного слоя после термической обработки?

11. В каких случаях применяют нитроцементацию?

12. Каково основное преимущество эндотермической атмосферы для

ементации (нитроцементации)?

13. Когда будут больше толщина и твердость азотированного слоя после

отир С

ования при 520 ° 24 ч или при 600 °С 24 ч?

ЛАВА ХШ. ПОВЕРХНОСТНАЯ ПЛАСТИЧЕСКАЯ

ДЕФОРМАЦИЯ

овышение долговечности деталей машин методом поверхностного

ластического деформ рования (ППД) или по ерхностного наклепа

ироко используется в промышленности для повышения

опротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости

еталей м

ПД.

чугунной или стальной дроби; поток роби на обрабатываемую

по

на в

)

(р

(р с

0,2

контактные нагрузки для низкоуглеродистых сталей 1600—1800

МПа, среднеуглеродистых 1800—1900 МПа и

ри

скорости о м/мин. При алмазном

250

верхность направляется или скоростным потоком воздуха, ил

роторным дробеметом (рис. 155, а); 2) центробежно-шариковы

клепом за счет инетической энергии стальных шарико

(роликов), расположенных на периферии вращающего диска; пр

вр

ащении диска под действием центробежной силы шарик

отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют

обрабатываемой поверхностью и отбрасываются в глубь гнезда; 3

накатыванием стальным шариком или роликом (60 HRC) (рис. 155

б); передача нагрузки на ролик может быть с жестким или упругим

контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью

азновидности этих способов — накатывание вибрирующим

роликом, раскатывание отверстий роликами и др.); 4) алмазным

ыглаживанием оправкой с впаенным в рабочей части алмазо

ис. 155, з); оно позволяет получать блестящую поверхность

малой шероховатостью.

Толщина деформированного слоя зависит от приложенной

силы Ρ и предела текучести σ

0,2

: x = √Ρ/(2σ ); средни

высокоуглеродистых 2700—3000 МПа. При обкатке шарами

диаметром 10—20 мм подача составляет 0,1—0,2 мм/об п

бкатывания 50— 100

выглаживании сила выглаживания 50— 350 Н, подача 0,02—0,1

мм/об и скорость 20—200 м/мин. Радиус рабочей части алмаза при

обработке мягких материалов (низко-углеродистая сталь,

цветные

сплавы) равен 2—3 мм и твердых материалов (58—64 HRC)—

0,5—1,5 мм.

При обкатывании и выглаживании в зоне контакта повышается

температура до 350 °С и выше. Температура нагрева не должна

превышать температуру рекристаллизации, снимающей эффект