Стали для цементации и нитроцементации

Цементация и нитроцементация – наиболее распространенные методы химико-термической обработки (ХТО) стали. В результате такой обработки происходит поверхностное упрочнение деталей машин и механизмов: возрастают износостойкость, прочность, усталостная прочность, а в ряде случаев сопротивление коррозии и окалиностойкость.

Цементации и нитроцементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08…0,25 %, что обеспечивает получение вязкой сердцевины. Для некоторых высоконагруженных деталей 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.

Требования, предъявляемые к цементуемым сталям:

- возможность получения требуемого уровня свойств;

- прокаливаемость;

- хорошая обрабатываемость резанием;

- хорошая штампуемость;

- экономичность легирования.

Цементацию проводят при температурах выше точки А₃ в аустенитной области. Температурный интервал цементации составляет 920…980⁰С. Имеется положительный опыт применения для некоторых легированных сталей высокотемпературной цементации при 980…1050⁰С. При 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 наследственно мелким зерном или легировать сталь элементами, замедляющими рост аустенитного зерна при нагреве (Ti, V).

Термическая обработка изделий после цементации заключается в закалке и 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 ниже точки А₁ с последующей закалкой и отпуском (двойная термическая обработка). Закалку от температуры цементации часто применяют после подстуживания до 840…860⁰С с целью уменьшения коробления изделий.

Легирующие элементы влияют на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне. Некарбидообразующие элементы, такие как Ni, Si, Co ускоряют диффузию углерода в аустените при 950⁰С. 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, 1100⁰С) Si 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, соответствующих интервалу цементации, наблюдается замедление диффузии углерода при легировании в такой последовательности: Mn, Mo, V, W, Cr. Карбидообразующие элементы повышают максимальную концентрацию углерода в поверхностном слое по сравнению с углеродистой нелегированной сталью, что связано с интенсивным карбидообразованием в поверхностном слое. С повышением температуры содержание углерода в цементованном слое легированных сталей уменьшается.

В легированных сталях после цементации (нитроцементации) и закалки кроме мартенсита и карбидов (карбонитридов) 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 вязкость, но при большом его содержании существенно снижается твердость стали, поэтому для высоколегированных цементуемых сталей в целях уменьшения количества остаточного аустенита проводят обработку холодом после закалки.

Добавки молибдена до 0,3…0,5% в хромоникелевые и хромомарганцевые стали увеличивают прокаливаемость цементованного слоя (стали 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХНМ). Бор увеличивает прокаливаемость сердцевины.

Широко применяется легирование цементуемых сталей элементами, задерживающими рост зерна аустенита при нагреве (V или Ti). Особенно благоприятно легирование цементуемых сталей Ni, который повышает вязкость цементованного слоя и сердцевины и понижает порог хладноломкости. Однако вследствие дефицитности Ni наблюдается тенденция к замене высоконикелевых сталей малоникелевыми (например, стали 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А).

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.

 

Новые направления в создании цементуемых сталей и их обработке

1) Учитывая дефицитность никеля, разрабатываются безникелевые цементуемые стали типа 15ХГ2МФ. Частично никель заменяют на марганец: 20ХГНМФ.

2) Учитывая, что ванадий и титан являются дорогими элементами, их заменяют комбинацией азота и алюминия, например: 25ХГНМАЮ.

3) Создание низкоуглеродистых сталей, содержащих 4…16% Mn (ЦНИМС) и проведение цементации. Примером таких сталей являются: 08Г4АТФ, 08Г7АФ, 08Г10Х2АФ, 08Г(4-16)ТЮ. Задача сводится к получению аустенитной структуры, армированной карбидами. Метастабильный аустенит в процессе деформации превращается в мартенсит деформации, повышая абразивную износостойкость сталей.

4) Новым направлением в технологии является вакуумная цементация, которая позволяет существенно сократить расход газа – карбюризатора, ионная цементация в тлеющем разряде (ускоренный процесс), цементация в кипящем слое, с нагревом ТВЧ и с использованием источников концентрированной энергии: лазерные лучи, плазменная струя. Это обеспечивает высокую твердость поверхности и получение необходимого количества метастабильного аустенита в структуре, а также чередование в заданной последовательности твердых и мягких составляющих, что существенно повышает износостойкость и другие служебные свойства сталей.

5) Создание дисперсионно-твердеющих сталей, которые могут работать не только при низких, но и повышенных температурах.

6) В принципе, цементировать можно любые стали.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие требования предъявляются к сталям для цементации и нитроцементации?

2. Каковы принципы легирования, роль легирующих элементов и области применения рассматриваемых сталей?

3. Какое влияние оказывают легирующие элементы на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне?

4. Какова термическая обработка сталей после цементации и нитроцементации.?

5. Каковы современные направления в создании рассматриваемых сталей?

 

 

УЛУЧШАЕМЫЕ СТАЛИ

Улучшаемыми сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска. Такие стали содержат 0,25—0,5%С и их подвергают закалке от 820—880°С (в за­висимости от состава) в масло (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при 500—650°С. После такой обработки струк­тура стали представляет собой сорбит отпуска. Улучшаемые стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряже­ний, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых на­грузках — высокий предел выносливости и достаточный запас вяз­кости: s_0,2= 900 МПа, s_В=1100 МПа, d=10%, y=60%, KCU=0,8 МДж/м². Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью, технологичностью, экономичностью и малой чувствительностью к отпускной хруп­кости.

В качестве улучшаемых легированных сталей применяются: марганцовистые, хромистые, хромомарганцевые, хромокремнемарганцевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, хромоникельмолибденованадиевые стали.

Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от стру­ктуры по сечению изделия после закалки. При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему се­чению - мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом образуются немартенситные продукты распа­да аустенита (верхний и нижний бейнит, феррито-перлитная смесь).

Наиболее высокие механические свойства (практически по всем показателям) достигаются после высокого отпуска исходной струк­туры мартенсита. Если сталь имеет другие структуры, то некоторые свойства могут ухудшаться. Особенно сильно это может сказывать­ся на параметрах, характеризующих сопротивление стали хрупкому разрушению (например, температуре перехода из вязкого в хрупкое состояние) и вязкому разрушению (работе развития трещины).

В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют боль­шое количество различно легированных сталей. Марки легирован­ных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543-71, ряд сталей изготовляется также по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются хром, марганец, никель, молибден, бор, ванадий и др.

Широко распространены следующие улучшаемые машиностроительные стали: 40ХФА, 30Г2, 40ХГТР, 38ХС, 30ХГСА, 30ХМА, 40ХН, 40ХН2МА, 35ХГФ и др.

Легированным конструкционным сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от на­правления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизо­тропии свойств достигается металлургическими способами (умень­шением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и др.). Эти стали чувствительны к флокенам, наиболее чувствительны к образо­ванию флокенов доэвтектоидные легированные перлитные и перлитно-мартенситные стали.

Хромистые стали: 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ яв­ляются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в несколько больших сечениях (до 20...25 мм в масле), чем соответствующие углеродистые ста­ли. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих ста­лей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо ох­лаждение после отпуска с печью. Легирование хромом не увеличивает склонности к росту зерна аустенита. Однако с целью получения мелкозернистой структуры в них вводят ванадий (40ХФ), который, находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение. Поэтому для получения одинаковой, проч­ности сталь 40ХФ при улучшении необходимо отпустить на 30...50°С выше, чем сталь 40Х. Это имеет большое значение для более полного снятия остаточных на­пряжений в изделиях и повышения их предела усталости.

Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют несколько большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувст­вительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особен­но при отрицательных температурах. Эти стали можно применять при обра­ботке ТВЧ и для изделий, несущих не­большие ударные нагрузки.

Хромомарганцевые стали (25ХГТ, 30ХГТ, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью (до 40 мм). С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0.03...0.09 %). Легирование ванадием (сталь 35ХГФ) также позволяет получить мелкозернистую структуру и по­высить температуру отпуска на заданную твердость. Сталь 35ХГФ обеспечивает замену хромоникелевой стали 40ХН и применяется, как и другие стали этой груп­пы, для машиностроительных деталей ответственного назначения (валы, шатуны, шестеренки и т.д.).

Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Широкое распространение (особенно в авиастроении) получили стали типа 30ХГСА (хромансиль), обладающие хорошей свариваемостью. Хромансили приме­няют после закалки и низкого отпуска или после улучшения (отпуск 520...540°С).

Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30ХЗМФ, 40ХМФА), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Особенно­стью хромомолибденовых сталей является способность сохранять высокие механи­ческие свойства при повышенных температурах. Сталь 30Х3МФ имеет прокаливае­мость и свойства, подобные таковым хромоникелевой стали 30ХН2МА. Благодаря ванадию сталь 30Х3МФ является мелкозернистой.

Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали (20ХН3А, 20Х2НЧА, 40ХН, 30ХН3А и др., 20ХН2М, 30ХН2М, 38Х2Н2МА, 40ХН2МА, 38ХН3МА, 18Х2Н4МА и др.) являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением порядка 100...1000 мм). Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.

Стали с 3...4 % Ni имеют наибольший температурный запас вязкости. К ним относятся стали 20ХН3А, 30ХН3А, 18Х2Н4МА, 38ХН3МА. Однако хромоникелевые стали имеют существенный недостаток: они сильно склонны к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмо­либденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка. Молиб­ден и вольфрам взаимозаменяемы в таких сталях, последние могут изготовляться с полной или частичной заменой молибдена на вольфрам из расчета: одна часть мо­либдена заменяется тремя частями вольфрама. Так, хромоникельвольфрамовые стали должны содержать: 38ХН3ВА 0,5...0,8 %W; 12X2H4BA 0,8...1,2 %W. Стали с молибденом и вольфрамом равноценны по свойствам, в том числе и по склонности к отпускной хрупкости.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали иногда содержат ванадий (38ХН3МФА, 45ХН2МФА, 30Х2НМФА), что обеспечивает их мелкозернистость и повышает устойчивость против отпуска.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали являются наилучшими из всех известных конструкционных машиностроительных сталей. В последнее время разработаны конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса, имеющие хорошее сочетание характеристик прочности, пластично­сти и ударной вязкости. К таким сталям относится сталь 15Х3Г3МФ, имеющая после закалки (920°С, масло) и отпуска (200°С) такие свойства: σ_В = 1300...1400 МПа, σ_0,2 = 980... 1070 МПа, ψ = 57...60 %, δ =12...14%, КСU = =0,87...1,1 МДж/м².