Термическая обработка цементованных деталей

Полученный в результате цементации и последующего медленного охлаждения наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой сферрито - перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость. Эти обстоятельства необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки, Целью термообработки цементованной стали является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины. В зависимости от назначения детали применяет различные варианты термической обработки. Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. 4,а).

Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает.грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито -перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей, применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Использование подстуживания при закалке до 750 - 800°С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

При более высоких требованиях к структуре детали после цементации: ее подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке с нагревом выше А_с3и низкому отпуску (ряс. 4,6). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев вышеA_c1, но ниже А_сm.

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 4,в). При первой закалке с температуры на 30 - 50°С выше Асз происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в цементованном слое растворяется.

При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск и при этом образуются глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того при второй закалке с температуры выше A_c1на 30 - 50°С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое.

После такой термообработки поверхностный зазвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.

На рис. 5 показана структура стали, содержащей в исходной состоянии 0,15 % С, после цементации без дополнительной термической обработки (охлаждение после цементации было медленным). Микроструктура поверхностного цементованного слоя состоит из перлита и сетки цементита. По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита непрерывно уменьшается и ближе к центру образца - исходная структура стали, состоящая из феррита и незначительного количества перлита.

На рас. 6 и 7 показана структура цементованной стали после окончательной термической обработки, то есть нормализации при 900°С, закалки от 770°С и отпуска при 150°С. Структура поверхностного сдоя -мартенсит отпуска (см.рис. б). Структура сердцевины - мартенсит и феррит (рис. 7). Образец закалился насквозь, но так как закалка была произведена от 770°С, то для сердцевины это будет неполной закалкой и в структуре наряду с мартенситом встречается феррит (светлые зерна).

После цементации и термической обработки твердость поверхностных слоев составляет (НRC58 – 63).

Цементации подвергают разнообразные детали: зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, оси и другие детали, иногда значительных размеров (например, крупногабаритные кольца и ролики шарикоподшипников).

 

АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ

Азотирование — это диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом.

Азотирование повышает твердость, износостойкость, теплостойкость и коррозионную стойкость в тонких поверхностных слоях конструкционных сталей.

 

Рис. 1. Диаграмма состояния Fе-N

Для гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей арматуры турбин и других деталей, работающих на износ при повышенных температурах в агрессивных средах. Легирование приводит к уменьшению азотированного слоя, но позволяет резко повысить твердость поверхности.

Технология процесса азотирования:

1)т/о заготовок: закалка + высокий отпуск при температурах 600…675°С. Структура – сорбит отпуска. 2) Механическая обработка деталей 3) Защита участков, не подлежащих азотированию. Электролитическое нанесение олова толщиной 10…15 мкм

4) Азотирование. изделия в герметичные печи, куда  NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3=2N+3H2 Азотирование проводят при 500-600 оС, процесс длительный (24-90ч). В системе Fe – N образуются -фаза - твердый раствор азота в -Fe; '-фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe4N; -фаза – твердый раствор на базе нитрида железа Fe2-3N. 5) Окончательная шлифовка

Распределение азота по глубине слоя имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев Используют стали, содержащие Al, Mo, Cr, Ti. Нитриды этих элементов дисперсные и обладают высокой твердостью и термоустойчивостью. 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Рис. - Влияние продолжительности азотирования на глубину слоя (а) и поверхностную твердость (б) стали З8ХМЮА