11357

Поверхностное упрочнение деталей

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 11. Поверхностное упрочнение деталей К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико...

Русский

2013-04-07

173 KB

240 чел.

Лекция 11.

Поверхностное упрочнение деталей

К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико-термическими методами.

Упрочнение легированием

Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивает рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.

Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов. Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.) создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности.

Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке. Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита (рис. 10.1.) Si, Mn, Ni,.т.е те элементы, имеющие отличную от Feα кристаллическую решетку. Слабее влияют  Mo, V и Cr,  решетки которых изоморфны Feα.  Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов – кислорода, водорода, азота.

При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением. Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремиться к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением. При некотором нагреве – искусственным старением.

При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые называют дисперсной фазой.

Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.

Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает существенное влияние на эффект дисперсионного твердения. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсионное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки стали и оказывает существенное влияние на ее свойства. Упрочняющими фазами в сталях могут быть карбиды, нитриды, интерметаллиды, химические соединения и др.

Упрочнение пластическим деформированием

В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышается прочность, электросопротивление, снижается пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление называется наклепом и может быть использовано для изменения свойств металлических материалов. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации. Металлы наклепываются в начальной стадии деформирования более интенсивно, а при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно (рис. 1). С увеличением  степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. У сильно наклепанных металлов обе характеристики сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла называется предельным; при попытке продолжить деформирование может произойти разрушение металла. В результате наклепа удается повысить твердость и временное сопротивление в 1,5 – 3 раза, а предел текучести в 3 -7 раз. Металлы с ГЦК решеткой  упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются  те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (интенсивно наклепываются аустенитная сталь и  никель, а алюминий упрочняется незначительно)

Рис. 1. Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклеп понижает плотность металла вследствие нарушений порядка в размещении атомов, при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые в процессе эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. Наиболее распространенным способом холодного пластического поверхностного деформирования является дробеструйная обработка. Она заключается в воздействии на обрабатываемую поверхность частиц дроби, ускоренных  в дробеструйных центробежных или пневматических аппаратах. Для этого используется стальная или чугунная дробь величиной 0,5 – 2,0 мм. Время обработки поверхности детали не превышает 2 – 3 мин., а толщина поверхностного слоя находится в пределах 0,2 – 0,4 мм.

В поверхностном наклепанном слое увеличивается плотность дефектов кристаллической решетки, может изменяться форма и ориентация зерен. В поверхностных слоях создаются сжимающие напряжения, тормозящие зарождение и развитие трещин. Дробеструйная обработка может быть эффективна для сталей различного состава и после различной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, улучшение, цементация и др.).

Основное назначение дробеструйной обработки – повышение усталостной прочности. Такой обработке подвергаются пружины, рессоры, шестерни, различные валы и т.д. Особенно эффективна дробеструйная обработка деталей, имеющих галтели, выточки, следы грубой механической обработки и другие концентраторы напряжений. Для сравнения в таблице 7.1 приведены примеры повышения сопротивления усталостному разрушению некоторых деталей машин.

Таблица 1.

п/п

Название детали

σ-1, МПа

До обработки

После обработки

1.

Шестерня после закалки  из стали 45

300

480

2.

Пружины автомобиля передней подвески из стали 65Г

458

724

3.

Клапанные пружины двигателя из стали 50ХФА

480

738

Если изменение структуры и свойств в результате пластической деформации нежелательно, оно может быть устранено последующей термической обработкой – рекристаллизационным отжигом.

Упрочнение термическими методами

Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осуществляться чаще при плюсовых температурах, реже – при отрицательных температурах и сочетаться с химическим, деформационным, магнитным, электрическим и др. процессами.

Следуя классификации А.А. Бочвара, в основу которой положены типы фазовых и структурных превращений в металле, различают следующие виды термообработки:

- собственно термическая обработка;

- термомеханическая обработка;

- химико-термическая обработка

Собственно термическая обработка предусматривает только температурные воздействия на металл или сплав. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии.

Термомеханическая обработка (ТМО) – сочетание термического воздействия и пластической деформации. ТМО позволяет получить более высокие прочностные и вызкостно-пластические свойства у стали, чем после обычной закалки и низкого отпуска. Положительный дополнительный эффект при ТМО объясняется предварительным наклепом аустенита во время пластической деформации. Последствия этого наклепа передаются мартенситу в виде дополнительных, возникающих при наклепе дислокаций, которые, складываются с дислокациями, возникающими при последующем мартенситном превращении, создают более плотную дислокационную структуру. Такая высокая плотность дислокаций (до 1013 см -2) не порождает возникновение трещин при закалке. Существуют две разновидности термомеханической обработки  – высокотемпературная (ВТМО) и низкотемпературная (НТМО). При ВТМО аустенит деформируется при температуре выше линии АС3 до степени деформации 20-30%. При НТМО производится деформация переохлажденного до 400 – 600 0С аустенита, степень деформации составляет 75-90%.

Химико-термическая обработка (ХТО) – сочетание химического и термического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении. При этом происходит поверхностное насыщение металлического материала соответствующим элементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Процесс химико-термической обработки состоит из трех элементарных стадий:

- выделение диффундирующего элемента в атомарном состоянии благодаря реакциям, протекающим во внешней среде;

- контактирование атомов диффундирующего элемента с поверхностью стального изделия и проникновение (растворение) их в решетку железа (адсорбция);

- диффузия атомов насыщающего элемента вглубь металла.

Поверхностное упрочнение

Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование.

При поверхностной закалке на некоторую заданную глубину закаливается только верхний слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.

Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты; нагревом

Поверхностную закалку осуществляют несколькими методами: нагревом токами высокой частоты (ТВЧ); нагревом газовым пламенем.

Закалка ТВЧ впервые предложена В. П. Вологдиным. При закалке по этому методу стальное изделие размещают внутри индуктора в форме спирали или петли (рис. 2). Ток высокой частоты подводится от генератора к индуктору. Во время прохождения тока через индуктор в поверхностных слоях изделия за счет индукции возникает ток противоположного направления, нагревающий сталь.

В связи с тем, что скорость нагрева ТВЧ значительно выше скорости нагрева в печи, фазовые превращения в стали происходят при более высоких температурах и температуры нагрева под закалку повышаются. Например, при нагреве ТВЧ со скоростью 400 °С/с температура закалки стали 40 с 840…860 °С повышается до 930…980 °С. После прогрева ТВЧ стали до температуры закалки изделие охлаждают водой. При закалке ТВЧ получается высокодисперсная структура кристаллов мартенсита, обеспечивающая более высокую твердость и прочность стали, чем при печном нагреве.

Рис. 2. Схема нагрева токами высокой частоты: 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – магнитное поле; I – направление тока в индукторе; II – направление тока в детали

Существуют следующие способы закалки индукционного нагрева:

- одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяют для изделий, имеющих небольшую поверхность (пальцы, валики, осевые инструменты);

- последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков: используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), зубчатых колес с модулем более 6 (закалка «зуб за зубом»), кулачков распределительных валов и т.д.

- непрерывно последовательный нагрев и охлаждение. Метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д. При этом методе изделие перемещается относительно неподвижных индуктора и охлаждающего устройства (спрейера) или наоборот. По сравнению с первым методом не требуется большой установочной мощности генератора.

При закалке с нагревом пламенем газокислородной горелки, имеющей температуру 2000…3000 °С, получается очень быстрый нагрев некоторого участка поверхности до температуры закалки, после чего из специального охладителя на этот участок направляется струя воды. Перемещая горелку относительно поверхности и одновременно вслед за горелкой охладитель, можно закалить большую поверхность крупногабаритных изделий.

Вследствие подвода значительного количества тепла поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреваться.  Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.

Толщина закаленного слоя обычно составляет 2 – 4 мм, а его твердость 50 – 56 HRC. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях троосто-мартенсит. Пламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная, и из-за большой скорости нагрева сохраняет более чистую поверхность.

Процесс газопламенной закалки можно легко автоматизировать и включать в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка индукционного нагрева.

Сущность лазерного упрочнения состоит в мощном импульсном (или непрерывном) воздействии светового пучка чрезвычайно большой плотности энергии, что вызывает мгновенный нагрев поверхности до высоких температур, превышающие температуры структурно-фазовых превращений металла и температуру плавления. С учетом чрезвычайно высоких скоростей охлаждения, которые в 10 – 100 раз превышают скорости охлаждения при закалке, в поверхности материала формируются особомелкозернистая или даже псевдоаморфная структура, имеющая повышенную твердость (20 -30%).

Технологические процессы лазерной обработки имеют ряд неоспоримых достоинств по сравнению с другими способами поверхностного упрочнения:

- простота транспортировки лазерного луча при отсутствии механического контакта упрочняемой поверхности с источником энергетического воздействия;

- возможность дозированного энергетического воздействия;

- возможность реализации процесса упрочнения в вакууме, газовой и жидкостной средах;

- широкий спектр энергетических и комбинированных физико-химических воздействий  на упрочняемою поверхность.

Лазеры – оптические квантовые генераторы (ОКГ), позволяющие получать электромагнитные излучения высокой концентрации энергии.

Применение лазеров для термической обработки основано в преобразовании световой энергии в тепловую. Высокая концентрация энергии в световом потоке оптического квантового генератора позволяет нагреть поверхность до температуры термообработки за очень короткое время.

Рис 3 . Схема композиционной структуры при лазерной термической обработке

Технологические процессы лазерной обработки определяются взаимодействием лазерного облучения с материалом и зависят от теплофизических и оптических свойств обрабатываемых материалов. Основные стадии взаимодействия лазерного излучения с материалом сводятся к следующим процессам: поглощение светового потока электронами и передача энергии кристаллической решетке твердого тела, нагрев вещества без его разрушения, разрушение вещества в зоне воздействия светового потока, разлет продуктов разрушения и остывание после окончания действия светового импульса. Параллельно с этими процессами в обрабатываемом материале происходят активные диффузионные и химические реакции, а также фазовые превращения, существенно меняющие исходную структуру и оказывающие влияние на само взаимодействие лазерного излучения с материалом.

Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 3):
1 - слой зона расплавленного и быстро закристаллизовавшегося металла, 2 - зона термического влияния, в которой все структурные изменения происходят в твердом состоянии. Затем наблюдается переходный слой 3 и 4 - материал основы.

Лазерная термическая обработка позволяет повысить твердость и износостойкость  упрочняемых материалов. Твердость зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стили. Хорошо упрочняются средне- и высоколегированные углеродистые и инструментальные стали. Стали с низким содержанием углерода и высокопрочные низколегированные стали при лазерной обработке, упрочняются плохо. Лазерная термическая обработка  не влияет на предел прочности и предел текучести сталей.

Электроискровое легирование (ЭИЛ) относится к технологиям упрочнения, основывающимся на взаимодействии материалов с высококонцентрированными потоками энергии и вещества. Образование упрочненного слоя происходит в результате сложных плазмохимических, теплофизических и механотермических процессов, реализуемых на микролокальных участках взаимодействия материала с единичным искровым разрядом.

Процесс ЭИЛ включает следующие этапы (рис. 4):

1. Оплавление. При сближении на определенное расстояние электрода-инструмента с упрочняемой металлической поверхностью происходит импульсный электрический разряд длительностью 10-6 …10-3 с. В результате на поверхностях анода (легирующий электрод) и катода (упрочняемая деталь) образуются локальные очаги электроэрозионного разрушения.

2. Электрическая эрозия. Она представляет комплексный процесс разрушения, включающий в себя оплавление, испарение, термохрупкое разрушение и другие механизмы. Эродированная масса легирующего электрода имеет избыточный положительный разряд, попадая в межэлектродное пространство, она устремляется к поверхности катода-детали, ускоряясь и нагреваясь за счет электрического поля анода и катода.

Рис 4. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при электроискровом легировании: а) – этап оплавления; б) – электрическая эрозия; в) - физико-химическое взаимодействие

Рис 5. Схема композиционной структуры материала после электроискрового легирования: 1 – зона тонкопленочных или сплошных формирований; 2 – зона смеси материалов анода и катода; 3 – зона сформированная за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали; 4 – зона термического воздействия плавно переходящая в структуру основного материала -5.

3. Физико-химическое взаимодействие. При движении анодная эродированная масса вступает в физико-химическое взаимодействие с межэлектродной средой и летучими продуктами эрозии катода-детали. К моменту осаждения фрагменты эродированной массы несут в себе электрическую, кинетическую и тепловую энергии, которые при взаимодействии с упрочняемой поверхностью выделяются в виде теплового импульса большой мощности. Вслед за осаждением эродированной массы упрочняемая поверхность подвергается контактно-деформационному воздействию вибрационного характера. Энергетическое воздействие высокой концентрации стимулирует протекание сопутствующих ЭИЛ микрометаллургических конвекционно-дифузионных процессов энергомассопереноса.

Упрочненная поверхность представляет собой композиционную структуру (рис. 5.).

Самый верхний слой состоит тонкопленочных  «островковых» или сплошных формирований, состоящих из материала анода, и межэлектродной среды. Сплошность этого слоя зависит  от режимов  и условий упрочнения. Под верхним слоем располагается зона, представляющая смесь материалов анода и катода, образованную в результате конденсации ионно-плазменной и капельной фаз на упрочняемой поверхности. Далее следует слой, сформированный за счет диффузии элементов легирующего электрода в упрочняемой матрице катода-детали. Под ним располагается зона термического воздействия, представляющая трансформированную структуру исходного материала с  измененной плотностью дефектов кристаллического строения по причине импульсного теплового воздействия. С перемещением в глубь структура зоны термического воздействия плавно переходит в структуру основного материала. В зависимости от режимов электроискрового легирования величина и степень упрочнения каждого слоя могут варьироваться в широком диапазоне, но наибольшую толщину всегда имеет  зона термического воздействия, которая в большинстве случаев и определяет эксплуатационные свойства поверхности.

Основной энергетической характеристикой процесса ЭИЛ является энергия единичного искрового разряда, которая определяется:

 =, (1)

где t и - длительность единичного искрового разряда; U(t) и I(t) – напряжение и сила тока в импульсе.

Наличие тесной связи между плотностью дефектов кристаллического строения, диффузионно-адгезионной активностью модифицированной структуры и коэффициентом переноса является основой для разработки оригинальных технологий повышения качества упрочнения при ЭИЛ. К таковым, в частности, можно отнести последовательную комбинацию поверхностно-пластического деформирования с электроискровым легированием, позволяющую повысить толщину легированного покрытия до нескольких десятых долей миллиметра, снизить уровень остаточных напряжений и стабилизировать структуру за счет уменьшения пористости.

Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газовую. Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8 – 1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали 0,1 – 0,18 %. Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2 – 0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, засыпают древесным углем. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия. Для ускорения процесса цементации  к древесному углю (коксу) добавляют активизаторы: углекислый барий (ВаСО3) и кальцинированную соду (Na2CO3) в количестве 10 – 40 % от массы угля.

Для газовой цементации  в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т.д.) или контролируемые атмосферы. При нагреве образуется атомарный углерод:

2CO  CO2 + Cатом 

или

CH4  2H2 + Cатом ; Cатом  Fe (аустенит).

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве.

Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5-2,00 мм.

Цементацию проводят при 910 – 930 , или для ускорения процесса при 1000-1050. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0 – 1,3 мм получают при 920 за 15 ч., а при 1000 – за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8—1,0% и не достигает предела растворимости при температуре цементации. Следовательно, сетка Fe3С при температуре цементации не образуется, и поверхностный слой, как и сердцевина, находится в аустенитном состоянии. После медленного охлаждения цементованный слой с переменной концентрацией углерода состоит из феррита и цементита и характеризуется гаммой структур, типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали (рис. 6).

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

Рис. 6.  Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная; 2 – эвтектоидная;
3 – доэвтектоидная зоны

После цементации в твердом карбюризаторе ответственные изделия подвергают двойной закалке, так как содержание углерода в сердцевине и на поверхности изделия разное, а оптимальная температура нагрева под закалку зависит от содержания углерода в стали

Первую закалку проводят с нагревом до 850—900°С (выше точки Аз сердцевины изделия), чтобы произошла полная перекристаллизация с измельчением аустенитного зерна в доэвтектоидной стали. В углеродистой стали из-за малой глубины прокаливаемости сердцевина изделия после первой закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.

После первой закалки цементованный слой оказывается перегретым и содержащим повышенное количество остаточного аустенита. Поэтому применяют вторую закалку с температуры 700—780°С, оптимальной для заэвтектоидных сталей. После второй закалки поверхностный слой состоит из мелкоигольчатого высокоуглеродистого мартенсита и глобулярных включений вторичного карбида.

При газовой цементации чаще всего применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840—860 °С. Заключительной операцией термической обработки цементируемых изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180 0С и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400—500 МПа, повышают предел выносливости изделия.

Низкое содержание углерода (0,08—0,25%) обеспечивает высокую вязкость сердцевины. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др.

Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60 – 64 HRC, а для легированной – 58 – 61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 550 0С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 0С.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют. Азотирование стальных изделий проводят интервале температур 500-6200С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

NН3N + 3Н.

В системе Fе—N при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ'-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1 % N при комнатной температуре). В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ' (Fe4N), и α.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов, которые существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений.

Тонкий слой ε-фазы (0,01 — 0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1- до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

Нитроцементация

Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией. Нитроцементацию проводят  при более низких температурах (850 – 870 0С) по сравнению с цементацией. Это обусловлено тем, что азот проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе γ-железа и тем самым способствует науглероживанию стали при более низких температурах. Понижение температуры насыщения без увеличения длительности процесса позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, уменьшить нагрев печного оборудования. Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование.

Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 3 – 15 % неотработанного природного газа и 2 – 10 % NН3 или в случае шахтной печи – жидкий карбюризатор – триэтаноламин 2Н5О)3 N, который в виде капель вводят в рабочее пространство.

Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием до 0,25% С. Продолжительность процесса 4-10 ч. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2–0,8 мм. После нитроцементации следует закалка,  либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800 – 825 0С, либо после повторного нагрева; применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 0С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцентируемого слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет 58 – 64 HRC (5700 – 6900 HV). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость например, не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумность. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементируемого слоя углерода и азота.

В последние годы получил применение процесс низкотемпературной нитроцементации.

Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 0С в течение 0,5 – 3,0 час в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe3(N, C), обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000 – 10000 HV. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендован для замены жидкого азотирования в расплавленных цианистых солях.

Все эти виды упрочняющей термической обработки имеют свою специфику и особенности и, как правило, используются в различных технологических операциях при термической обработке сталей и сплавов.