1. Цементуемые стали

Цементация стали осуществляется путем поверхностного насыщения изделия угле­родом до эвтектоидной или заэвтектоид – ной концентрации. Конечные свойства изделий до­стигаются в результате последующей термической обработ­ки. При цементации наиболее существенно изменяются поверхностная твердость, износостойкость и усталостная прочность изделий. Глубина цементованной зоны может быть различна для разных деталей и составляет 0,3— 2,5 мм в зависимости от размеров и назначения изделия.

Цементацию проводят в твердой, жидкой и газовой сре­дах, наибольшее развитие получила газовая цементация. Цементация является трудоемким и длительным процессом, поэтому в последнее время применяют разные способы ин­тенсификации этого процесса: ионную цементацию, цемен­тацию в активизированных газовых средах, в электропро­водном кипящем слое, в виброкипящем слое и др.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с со­держанием углерода 0,08—0,25 %, что обеспечивает полу­чение вязкой сердцевины. Для некоторых высоконагружен – ных деталей (зубчатые колеса и др.) содержание углерода в стали может быть повышено до 0,35 % . С повышением содержания углерода в стали уменьшается глубина цемен­тованного слоя, увеличивается прочность и понижается вяз­кость сердцевины.

Цементацию проводят при температурах выше точки Аз в аусте – нитной области. Температурный интервал цементации составляет 920— 980 "С. Имеется положительный опыт применения для некоторых легиро­ванных сталей высокотемпературной цементации при 980—1050 °С. Прн этом значительно ускоряется процесс цементации вследствие увеличе­ния коэффициента диффузии углерода, однако одновременно растет зер­но аустенита и увеличивается коробление деталей. Поэтому для высо­котемпературной цементации необходимо применять стали с наследст – венномелким зерном илн легировать сталь элементами, замедляющими рост аустенитного зерна при нагреве (тнтан, ванадий).

Термическая обработка нзделнй после цементации заключается в закалке н низкотемпературном отпуске, причем закалка может осуще­ствляться непосредственно от температуры цементации (одинарная тер­мическая обработка) или после охлаждения от температуры цемента­ции (в этом случае часто применяют охлаждение на воздухе — норма­лизацию) и повторного нагрева до температуры несколько выше точки Аз с последующей закалкой и отпуском (двойная термическая обработ­ка). Закалку от температуры цементации часто применяют после под- стужнвания до 840—860 dC с целью уменьшения коробления изделий.

Химический состав и механические свойства качествен­ных цементуемых углеродистых конструкционных сталей регламентируется ГОСТ 1050—74, а легированных ГОСТ 4543—71.

В табл. 16 приведены химический состав и гарантируе­мые механические свойства некоторых легированных конст­рукционных сталей, применяемых для цементации.

Таблица 16. Состав и механические свойства (не менее)

Содержание основных элементов, %

Марка стали

С

Mn

Cr

Nl

Другие элементы

15Х

18ХГТ

20ХГР

ЗОХГТ

15ХФ

20ХН

12ХНЗА

20ХГНР

18Х2Н4МА

0,12—0,18:

0,17—0,23,"

0,18-0,241

0,24—0,32

0,12—0,18*

0,17—0,23′

0,09—0,16

0,16—0,23

0,14—0,20

0,3—0,9 0,8—1,1 0,7-1,0 0,8—1,1 0,3—0,8 0,3—0,8 0,3—0,8 0,7—1,0 0,3—0,8

0,7-1,0 1,0—1,3 0,75—1,05 1,0—1,3 0,8—1,1 0,45—0,75 0,6—0,9 0,7—1,0 1,35—1,65

<0,3 <0,3 <0,3 <0,3 <0,3 1,0-1,4 2,75—3,15 0,8—1,1 4,0—4,4

0,03—0,09Ti 0,001-0,005В 0,03—0,08Ti 0,06-0,12V

0,001—0,005В 0,3—0,4Мо

Примечания: I. Условные обозначения охлаждающей среды: в — вода, 2. Механические свойства приведены после термической обработки ио ука-

Легирующие элементы влияют на скорость процесса це­ментации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне. Некарбидообразующие элементы, такие как никель, кремний, кобальт, ускоряют диффузию углерода в аустените при 950 0C. В то же время эти элементы снижают растворимость углерода в аустените и тем самым уменьшают максимальное содержание угле­рода в поверхностном слое. Наиболее сильно ускоряет диф­фузию углерода в аустените и понижает содержание угле­рода в цементованном слое кремний. Однако при более вы­соких температурах (1000, 1100°С) кремний уменьшает коэффициент диффузии углерода в аустените.

Как правило, карбидообразующие элементы понижают коэффициент диффузии углерода в аустените. Например, в стали с 1,2 % Si и 1 % легирующего элемента при темпера­турах, отвечающих интервалу цементации, наблюдается замедление диффузии углерода при легировании в такой последовательности: марганец, молибден, ванадий, воль­фрам, хром (Томас и Леан).

Карбидообразующие элементы повышают максималь­ную концентрацию углерода в поверхностном слое по срав­нению с углеродистой нелегированной сталью, что связано с интенсивным карбидообразованием в поверхностном слое (рис. 98). С повышением температуры содержание углеро­да в цементованном слое легированных сталей уменьша­ется.

177

Влияние легирующих элементов на глубину цементован­ного слоя определяется их влиянием на коэффициент диф-

Цементуемых конструкционных сталей

Режим термической обработки

Б

Ч>

М

1-я закалка или нормали­зация (/, °С)

2-я закалка «зак – °с>

‘отп’ °с

МПа

%

< Ss

880, В (M) 880—950вз 880, м 880—950вз 880, в (м) 860, в (м) 860, в (м) 930—950 м 950 вз

770—820в (м) 870, м

850, м

760—810в (м) 760—8106 (м) 760—810в (м) 780—830м 860вз

180вз (м) 200вз(м) 200вз (м) 200в (м) 180вз (м) 180в (м) 180вз (м) 200вз (м) 200вз

700 1000 1000 1500 750 800 950 1300 900

500 900 800 1300 550 600 700 1100 700

12

9 9 9

13

14 11

10 11

45 50 ?0 40 50 50 55 50 50

0,7 0,8 0,8 0,6 0,8 0,8 0,9 0,9 0,8

М — масло, в(м) — вода илн масло, вз — воздух, занным режимам без цементации.

12—970

Фузии и концентрацию углерода в поверхностном слое. На рис. 99 приведена зависимость глубины цементованного слоя h от содержания легирующих элементов при температуре цементации 925 °С.

В легированных сталях после цементации и закалки кро­ме мартенсита и карбидов присутствует также остаточный аустенит, количество которого может быть значительным.

В небольшом количестве остаточный аустенит в цемен­тованном слое может быть даже полезным, так как при этом повышается пластичность и особенно ударная вынос­ливость, но при больших его содержаниях существенно сни-

Рис. 98. Распределение углерода по глубине цементованного слоя стали (А. Н. Минкевич):

1 — нелегированная сталь; 2 — сталь, легированная карбидообразующим элемен­том; 3 — сталь, легированная иекарбидообразующим элементом

Рнс. 99. Влияние легирующих элементов Ha глубину цементованного Слоя после цементации при 925 0C (А. П. Гуляев)

Жается твердость стали, поэтому для высоколегированных цементуемых сталей в целях уменьшения количества ос­таточного аустенита проводят обработку холодом после закалки.

При легировании цементуемых конструкционных сталей часто осуществляется комплексное легирование нескольки­ми элементами. Так, введение кремния в хромоникелевые цементуемые стали позволяет повысить их ударно-уста­лостную выносливость посредством уменьшения глубины заэвтектоидной зоны и увеличения количества карбидов.

Широко применяется легирование цементуемых сталей элементами, задерживающими рост зерна аустенита при нагреве (ванадием или титаном). Особенно благоприятно легирование цементуемых сталей никелем, который повы­шает вязкость цементованного слоя и сердцевины и пони­жает порог хладноломкости. Однако вследствие дефицит­ности никеля наблюдается тенденция к замене высокони­келевых сталей малоникелевыми (например, стали 18ХГСН2МВА и 18ХГСН2МА используют взамен 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А и сталь 14ХГСН2МА вместо 12ХНЗА и 12К2Н4А).

Оптимальное содержание уг­лерода при цементации в поверх­ностном слое составляет 0,8— 0,9 %. Увеличение содержания углерода до более высоких значе­ний способствует выделению кар­бидов по границам зерен, что мо­жет приводить к образованию трещин в цементованном слое и снижению механических свойств (рис. 100).

Рис. 100. Влияние содержания углерода в цементованном слое (глубина слоя 1,0 мм) на механические свойства стали после закал­ки и низкого отпуска (И. Г. Козловский, Ю. Ф. Оржеховский):

I — 12X2H4A; 2 — 18ХГ

2. Азотируемые стали

Азотирование представляет собой процесс поверхностного насыщения стали азотом. Наиболее распространен процесс азотирования в газовых средах на основе аммиака. Как правило, процесс азотирования осуществляется при темпе­ратуре до 600°С (низкотемпературное азотирование).

Азотирование конструкционных сталей проводят для по­вышения их твердости, износостойкости, теплостойкости и коррозионной стойкости. Перед азотированием изделия под­вергают закалке и высокому отпуску.

^ 250о

^ 2300

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3Z°/°

12*

179

Строение диффузионного слоя азотированных сталей определяется диаграммой железо — азот (рис. 101). При азотировании стали в области температур ниже эвтектоид – ной (590 °С) диффузионный слой состоит из трех фаз: е, Y'(Fe4N) и а. В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и ско­рости охлаждения после азотирования.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых кон­струкционных сталей обеспечиваются главным образом нитридами легирующих элементов (N, MoN, AlN). Одна­ко из-аа наличия углерода в легированных конструкцион­ных сталях при азотировании фактически образуются кар – бонитридные фазы.

Легирующие элементы существенно влияют на глубину h азотированного слоя и поверхностную твердость (рис.

102). Уменьшение глубины азо­тированного слоя при легиро­вании обусловлено уменьшени­ем коэффициента диффузии азота в феррите. Углерод уменьшает также коэффици­ент диффузии азота.

Из азотируемых конструк­ционных легированных сталей наиболее широко применяют сталь 38Х2МЮА. Однако в по­следнее время разработан ряд новых конструкционных ста­лей, подвергаемых азотирова­нию: ЗОХЗВА, 30ХН2ВФА, 40ХНВА, 20ХЗМВФА и др. В табл. 17 приведены химиче­ский состав и механические свойства некоторых азотируе­мых конструкционных сталей.

При азотировании в интервале температур 500—6000C толщина диффузионного слоя невелика и поэтому высокие механические свойства достигаются в тонком поверхност­ном слое и по мере удаления от поверхности быстро пада­ют. Обычно при легировании несколькими элементами твердость азотированного слоя больше, чем при легирова­нии одним элементом (рис. 103).

Наиболее высокая поверхностная твердость при азоти­ровании достигается в хромомолибденовых сталях, допол­нительно легированных алюминием, типичным представи­телем которых является сталь 38Х2МЮА. Подобные стали для азотирования применяют в США: нитраллой — Nitr 135М, в Англии —EN41, в ФРГ —32А1СгМо4, в Шве­ции — 2940.

500

-Sirc

I

J – I

I I

Z

I i

-I

\ /

Li.

I

I *

\680±5°С

\

650°C\f\

2,8

\ е

V

590°СI

0,1 2,35 Л

Aa

VK

1 Il

V

I i

OZ 4 6 8 10 Fe —«¦ N, % (по массе)

Рис. 101. Диаграмма состояния си­стемы Fe-N

900 850 800

0

CsT 750

1

§ 700 §-

^ 650

Si

600

Cf-

550

Пониженным содержанием алюминия или без алюминия, имеющие меньшую поверхностную твердость, но более плав­ное падение твердости по глубине диффузионного слоя (ста­ли 38Х2ВФЮА, 40ХФА, 40Х, 20ХЗВА и др.).

Снижение поверхностной твердости азотированного слоя с HV 900—1000 до 650—900 позволяет повысить износостой-

Вместе с тем износостойкость стали не всегда коррели­рует с твердостью. Так, повышение температуры азотиро­вания стали 38Х2МЮА с 560 до 620 °С повышает ее изно­состойкость, хотя поверхностная твердость при этом пони­жается. Понижение поверхностной твердости при повыше­нии температуры азотирования связано с уменьшением содержания азота в е-фазе из-за усиления его диффузии с поверхности в глубь изделия.

H, Мм HV

Содержание элемент од, %

Рис. 102. Влияние легирующих элементов иа глубину азотированного слоя (азотирование прн 550 С, 24 ч) и поверхностную твердость (Ю. М. Лах – тин)

Для некоторых азотируемых изделий чрезмерно высо­кая поверхностная твердость является нежелательной из – за охрупчивания поверхностного слоя, затруднения опера­ции шлифования и др. В этом случае используют стали с

Таблица 17. Состав и механические свойства (не менее)

Содержание основных элементов, %

Марка стали

C

Cr

Ni

Mo (W)

30Х2МЮА 38Х2ВФЮА

0,35—0,45 0,35—0,42

1,35—1,65 1,5—1,8

0,15—0,25 (0,2-0,4)

30ХН2ВФА 30Х2НВФА ЗОХЗВА 40ХНМА

0,27—0,34 0,27—0,34 0,27—0,34 0,37—0,44

0,3—0,6 1,35—1,75 2,3—2,7 0,3—0,6

2,0—2,45 0,7—1,00

0,7—1,00

(0,6-0,8) (0,6-0,8) (0,6—0,8) 0,15—0,25

Примечание, м — масло, в — вода.

Азотируемых конструкционных сталей

Режим Термической обработки

Ав

I ат

В

TS §2

Другие

T T ‘зак’ ^

‘отп1 °с

МПа

%

0,7—1,IAl

920—940, м(в)

625—650

1000

850

14

50

0,9

0,1—0,8V;

900—950, м

600—650

1000

850

12

50

0,9

0,4—0,7АГ

0,1—0,18V

850—870, м

540—620

1050

850

12

55

1,0

0,1—0,18V

900—920, м

520—540

1200

1000

10

45

0,8

0,06—0,12V

870—890, м

580—620

1000

850

15

50

1,0

840—860, м

600—620

1100

850

12

55

1,0