Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Химико-термическая обработка сталей 10
1.1. Общие сведения 10
1.2. Цементация сталей 17
1.3. Азотирование сталей 26
1.4. Нитроцементация сталей. Цианирование .31
1.5. Поверхностное диффузионное легирование сталей и сплавов .37
1.6. Оценка влияния структуры и фазового состава сталей до и после ХТО на их изнашиваемость .39
Глава 2. Материалы, технологии, установки и методы исследования 49
2.1. Сведения о материалах, служащих объектами изучения в диссертационной
работе 49
2.2. Оборудование и технологии .49
2.3. Определение химического состава исследуемых сплавов и покрытий проводились на оптико-эмиссионном спектрометре «FoundryMate» серийный №3746А производства фирмы «BAIRD» (США) и др. приборами 52
2.3.1. Спектрометр «FoundryMate» .52
2.4. Методы исследования и оборудование 53
2.5. Рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы 54
2.6. Оптическая, электронная и растровая микроскопия 54
2.7. Измерение геометрических параметров поверхности .56
2.8. Другие методы исследования 56
2.9. Метод внутреннего трения 56
2.10. Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных .57
Глава 3. Результаты исследований по повышению эффективности ХТО конструкционных материалов (сплавов на основе железа) 60
3.1. Исследования по улучшению эксплуатационных свойств стали 40Х13
нитроцементацией карбюризатором на основе сажи (аморфного углерода с азотосодержащими добавками) 60
3.2. Исследование цементации и оптимизация состава науглероживающей среды стали Х13 66
3.3. Исследование дополнительного легирования хромоникелевых сталей комплексом элементов Mn+Si+Ti на формирование микроструктуры и свойств цементованных слоев 72
3.4. Изучение влияния добавок метана и аммиака на кинетику взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа 77
Глава 4. Цианирование в условиях выживания. Модернизация ХТО обработки ..82
4.1. Дополнительная химико-термическая обработка стали (24 25)ХГТ с использованием углеродо-азотистых карбюризаторов .82
4.2. Структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора 90
Выводы 96
Библиографический список
- Нитроцементация сталей. Цианирование
- Определение химического состава исследуемых сплавов и покрытий проводились на оптико-эмиссионном спектрометре «FoundryMate» серийный №3746А производства фирмы «BAIRD» (США) и др. приборами
- Исследование цементации и оптимизация состава науглероживающей среды стали Х13
- Структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения требует обеспечения повышенного срока службы узлов трения и инструмента на уровне новых рабочих параметров машин, аппаратов, приборов и режущих инструментов, работающих в более широком диапазоне температур, в особых условиях окружающей среды, с более высокими скоростями и давлениями и при постоянно действующих требованиях снижения трудоемкости изделий.
Эффективным средством повышения эксплуатационных свойств
конструкционных сталей является нанесение диффузионных покрытий на рабочие части деталей машин и инструмента усовершенствованными технологиями химико-термической обработки (ХТО). Однако различие в структуре, фазовом составе и физико-механических свойствах между материалом диффузионного покрытия и сталью приводят к преждевременному удалению покрытия за счет абразивного изнашивания, что приводит к снижению работоспособности рабочих поверхностей упрочненного материала.
Разработка новых и усовершенствование уже существующих процессов, обеспечивающих получение на поверхностях трения покрытий с прогнозируемыми свойствами, позволит существенно увеличить применение таких методов создания многофункциональных (износо- и коррозионно-стойких, антифрикционных и др.) покрытий, как электрофизические и химико-термические (газофазные и твердофазные с замкнутым рабочим циклом без выброса вредных газов в атмосферу). Возможно значительное повышение эксплуатационных свойств деталей, инструментов и узлов трения машин и механизмов в различных отраслях машиностроения за счет применения новых материалов, многофункциональных покрытий и технологий, а также комбинированных методов обработки сопряженных поверхностей.
В этой связи представляется важным повышение работоспособности деталей, узлов и инструмента, новыми и усовершенствованными технологиями ХТО, в частности нитроцементации, цианирования и др. Объем применения диффузионных покрытий в машиностроении пока остается все еще ограниченным. Однако расширение сферы выше указанных покрытий ограничивается из-за недостаточной изученности процессов их формирования, а также их влияния на свойства материала основы (детали или инструмента). Это затрудняет разработку технологий получения покрытий, обеспечивающих повышение работоспособности деталей и инструмента. На стадии проектирования не удается прогнозировать износ, усталость во всех проявлениях, сопровождающих эксплуатацию изделий с покрытиями.
Влияние окружающей среды, а также недостаточная изученность сложных
закономерностей изменения прочностных и деформационных свойств
многофункциональных покрытий и всей системы «основа-покрытие» (СОП) в процессе их работы, нестабильность технологических параметров нанесения осложняют получение достоверных результатов. Это также обусловлено малым количеством теоретических и экспериментальных работ, изучающих закономерности формирования структуры покрытий и их связь с основными эксплуатационными свойствами конструкционных материалов, а именно с прочностными и усталостными характеристиками. Специфичность (СОП) обусловлена тем, что начальные условия формирования покрытия, физико-химические процессы, протекающие на поверхности основы в период формирования покрытия, существенно влияют на поведение конструкционных материалов (сталей) при эксплуатации.
Поэтому озвученная в названии тема диссертационной работы на наш взгляд актуальна. Актуальность темы диссертационного исследования подтверждается выполнением её в рамках межвузовских, региональных и федеральных научно-технических программ и мероприятий по направлениям: координационным планом НИР «Реализация региональных научно-технических программ центральночерноземного района 2005-2015 годов»; «Повышение эксплуатационных характеристик
и экологической безопасности изделий из инструментальных и конструкционных сталей электроискровой и химико-термической обработками» (номер контракта № П653 от 19.05.2010 г.) в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Цель настоящей работы заключается в повышении механических и эксплуатационных свойств конструкционных сталей (20Х13, 40Х13, 20ХН, 20ХГСНТ, (24...25)ХГТ) за счет формирования рационального структурного и фазового состава материалов при диффузионном поверхностном упрочнении с использованием пастообразных карбюризаторов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
S проанализировать, систематизировать и обобщить литературные данные
по применению ХТО, в частности цементации, нитроцементации, цианирования и др., применяющихся в современном машиностроении для повышения работоспособности деталей, узлов и инструментов;
S исследовать влияние предлагаемого пастообразного карбюризатора
(состава, температуры и др.) на структуру и фазовый состав диффузионных слоев;
S изучить процесс формирования диффузионных слоев на сталях при их
насыщении в азотисто-углеродистой среде в разных температурных условиях и проанализировать особенности диффузионных процессов;
S выявить закономерности влияния структуры, фазового состава
диффузионных слоев изучаемых материалов на их эксплуатационные свойства;
S провести сравнительные испытания исследуемых материалов,
упрочненных ХТО и другими методами поверхностного упрочнения;
S разработка практических рекомендаций по применению в
промышленности и учебном процессе.
Объекты исследования: упрочненные поверхностные слои конструкционных сталей термической и химико-термической обработками с применением углеродно-азотистых пастообразных карбюризаторов.
Методы исследования. В работе использованы следующие методы исследования структуры и свойств изучаемых материалов: оптической и электронной металлографии, рентгеноструктурного анализа для оценки структурного - фазового состава упрочненного поверхностного слоя; стандартные методы измерения твердости и микротвердости и определения механических свойств подвергнутых ХТО. Испытания на изнашивание и усталостную прочность проводились в соответствии с действующими ГОСТами. Для достижения поставленных задач в работе использовались методы математического планирования эксперимента и статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна результатов работы и основные положения выносимые на защиту.
-
Для повышения эксплуатационных свойств стали 40Х13 разработана новая технология нитроцементации на основе сажи (аморфного углерода) с азотосодержащими добавками (сажа - 60; желтая кровяная соль К4Fe(CN)6-20; карбамид (NH2)2 СО - мочевина - 10; углекислый натрий - Na2C03 - сода - 10 (% масс). В результате обработки на поверхности стали 40Х13 образовался диффузионный слой толщиной 0,05 мм с содержанием (80...90)% карбидной фазы. Тем самым были повышены твердость и коррозионная стойкость стали 40Х13. Износостойкость нитроцементируемой стали в (4…5) раз превышает износостойкость стали Х12М, наиболее часто используемой в настоящее время для изготовления мясоизмельчительных ножей.
-
Экспериментально оптимизирован состав пастообразного карбюризатора для цементации хромистых нержавеющих сталей (20…30)Х13. По результатам эксперимента сделан вывод, что на толщину слоя карбюризатора основное влияние
оказывает содержание в нем клея КМЦ. Оптимальным содержанием КМЦ считается (4,5...5)%.
3. Впервые исследованы цементованные слои хромоникелевых сталей,
дополнительно легированные (0,9…1,1) % Mn, (0,9…0,1) % Si, (0,3…0,9) % Ti.
Установлены закономерности формирования их структуры, определяющие их высокие
механические свойства (твердость, предел прочности) и износостойкость.
Установлено, что дополнительное легирование хромоникелевой стали комплексом
элементов, в состав которого входит кремний, повышает устойчивость стали против
отпуска, поскольку он способствует сохранению мартенсита (отпущенного) при более
высоких температурах (~200С).
4. Впервые изучено влияние добавок метана и аммиака на кинетику
взаимодействия эндотермической атмосферы с образцами из армко-железа. Получена
зависимость константы скорости (Кн) насыщения азотом аустенита. Показано, что при
достаточно высоком углеродно-азотном потенциале атмосферы науглероживание
аустенита происходит интенсивнее, чем азотирование.
5. Разработан новый технологический процесс ХТО стали (24…25)ХГТ с
использованием пастообразных углеродо-азотистых карбюризаторов. Проведено
комплексное исследование образцов из этой стали как в исходном состоянии (закалка с
840С в масле с последующим отпуске при 660С (1…3) час), так и после
нитроцементации. Установлено, что поверхность образцов после нитроцементации
имеет четко выраженную – характерно тонкую (8…22) мкм нетравлющуюся полосу –
«белый» слой, представляющую собой карбонитридный слой Fe2-3(CN), Fe3(CN).
Твердые карбонитриды, образующиеся на поверхности обрабатываемых в этой пасте
изделий, способствуют повышению их износостойкости. Карбонитридная корка на
поверхности исследуемой стали, образовавшаяся после нитроцементации обладает
значительно повышенной выносливоемостью в (1,4…1,5) раза. Карбонитридная кромка
на поверхности стали (24…25) ХГТ значительно повышает усталостную прочность
материала и работоспособность деталей и узлов
6. Исследованы структура и свойства конструкционных сталей после
двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора. Проведены
сравнительные испытания сталей, в частности стали 25ХГТ, подвергнутой
борированию, бороалюмосилицированию и нитроцементации. Установлено, что сталь
25ХГТ подвергнутая борированию и бороалюмосилицированию на (15…20)% более
износостойка, чем нитроцементованная, в то же время нитроцементация повышает
усталостную прочность на 30% по сравнению с борированием и
бороалюмосилицированием.
Достоверность полученных результатов и выводов по работе подтверждаются применением современных металлофизических методов исследования, проверенных приборов и оборудования, стандартных методик исследования структуры, фазового состава и свойств материалов, сопоставлением своих результатов с результатами других исследователей. Полученные результаты не противоречат современным научным представлениям в области ХТО металлов и сплавов.
Практическая значимость работы состоит в следующем: на основе результатов
экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации
поверхностного упрочнения ряда конструкционных сталей ХТО с применением
углеродно-азотистых пастообразных карбюризаторов, обеспечивающих повышение их
эксплуатационных свойств. Результаты и выводы по работе подтверждаются
полупромышленными испытаниями на предприятии ЗАО «Курский
электроаппаратный завод». Научные результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Материаловедения и сварочного производства» ЮЗГУ. Акты внедрения представлены в приложениях диссертации.
Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, постановке задач, выполнения основного объема исследований,
интерпретации и обобщения полученных результатов, формулирования научных положений и выводов, внедрения практических результатов в производство и учебную работу ВУЗа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены: на XVII Российской НТК с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2010»; V Всероссийской НПК «Проектирование механизмов и машин»; XVIII, XIX и XX Юбилейной Российской НТК с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2011, 2012 и 2014 г.г.»; на заседании кафедры «Материаловедение и сварочное производство» март 2014 г.
Публикации по материалам диссертации. Опубликовано в 16 печатных работах, из них шесть в рецензируемых научных изданиях и журналах.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 260 наименований и приложений. Текст диссертации изложен на 128 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 6 таблиц, 2 приложения.
Нитроцементация сталей. Цианирование
Химико-термической обработкой (ХТО) называют процесс, сочетающий поверхностное насыщение стали тем или иным элементом при высокой температуре и термическое воздействие, в результате которых происходит изменение химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
Химико-термическая обработка включает в себя цементацию, азотирование, цианирование, алитирование, силицирование и т.д.
Насыщение поверхностного слоя происходит при нагреве детали до определенной температуры в среде, легко выделяющей насыщающий элемент в активном состоянии, и выдержке при этой температуре. Среды, выделяющие насыщающий элемент, могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
В отличие от поверхностной закалки при химико-термической обработке разница в свойствах достигается не только изменением структуры металла, но и его химического состава. ХТО не зависит от формы деталей. Она обеспечивает получение упрочненного слоя одинаковой толщины по всей поверхности. ХТО дает более существенное различие в свойствах поверхности и сердцевины деталей. ХТО изменяет химический состав и структуру поверхностного слоя, а поверхностная закалка - только структуру.
Вместе с тем ХТО уступает поверхностной закалке по производительности. Основными элементарными процессами любого вида химико-термической обработки являются:
1. Диссоциация - выделение насыщающего элемента в активном атомарном состоянии в результате разложения исходных веществ и т. д. Степень распада молекул газа (%) называют степенью диссоциации.
2. Абсорбция - захват поверхностью металла свободных атомов насыщающего элемента. Атомы металла, находящиеся на поверхности, имеют направленные наружу свободные связи. При подаче к поверхности детали атомов насыщающего элемента эти свободные связи вступают в силу, что уменьшает поверхностную энергию металла. С повышением температуры абсорбционная способность металла увеличивается. Развитие процесса абсорбции обеспечивает способность диффундирующего элемента образовывать с основным металлом твердые растворы или химические соединения.
3. Диффузия - проникновение насыщающего элемента в глубь металла. В результате абсорбции химический состав поверхностного слоя меняется, образуется градиент концентраций насыщающего элемента в поверхностных и нижележащих слоях. Диффузия протекает легче при образовании твердых растворов внедрения (С, N), чем твердых растворов замещения (Al, Сr, Si). Поэтому при диффузионной металлизации процесс ведут при более высоких температурах.
Поверхностный слой детали, отличающийся от исходного материала по химическому составу, называется диффузионным слоем. Материал детали под диффузионным слоем с неизменившимся химическим составом называется сердцевиной.
На поверхности диффузионного слоя концентрация диффундирующего элемента наибольшая, а по мере удаления от поверхности концентрация падает (рис. 1.1) Изменение концентрации диффундирующего элемента по глубине.
Глубина проникновения (y на рис. 1.1) представляет собой толщину слоя. Так обстоит дело, если диффундирующий элемент образует с металлом систему непрерывных твердых растворов. Если, однако, насыщающий элемент B образует с металлом А систему сплавов с ограниченной растворимостью и с химическими соединениями (рис. 1.2, а), то строение слоя будет определяться изотермическим разрезом диаграммы состояния этой системы при температуре диффузионного насыщения.
Предположим, что системе (металл А и диффундирующий элемент В) соответствует диаграмма состояния, изображенная на рис. 1.2, и что насыщение происходит при температуре t1.
Если процессы диссоциации, абсорбции и диффузии протекают достаточно активно и времени достаточно, то на поверхности может образоваться слой твердого раствора В (А) переменной концентрации (рис. 1.2, б), под ним будет находиться подслой твердого раствора химического соединения АnВm тоже переменной концентрации и, наконец, слой твердого раствора А (В), убывающего от предела насыщения (при данной температуре) до нуля. На границах раздела слоев концентрация изменяется скачкообразно, в соответствии с условиями равновесного сосуществования фаз, как это следует из диаграммы состояния, приведенной на рис. 1.2, а.
Различаются два вида диффузионного перемещения атомов в металлах: а) самодиффузия, когда происходит перемещение атомов основного металла в собственной кристаллической решетке; б) гетеродиффузия, когда происходит перемещение инородных (растворенных) атомов в чужой кристаллической решетке.
В первом случае в результате хаотического теплового движения отдельные атомы основного металла время от времени меняют места в своей кристаллической решетке, совершая перескок из одного положения в другое. Этот процесс перемещения однородных атомов происходит непрерывно и хаотически по направлению и не изменяет концентрации.
Во втором случае перемещение инородных атомов происходит в направлении от мест высокой концентрации к местам низкой концентрации. Этот процесс совершается самопроизвольно, так как состояние с неравномерной концентрацией обладает большей свободной энергией, чем состояние с равномерным распределением растворенных атомов1.
Как осуществляется диффузионное перемещение атомов?
Известно, что в любом веществе происходит флуктуация тепловых колебаний, в результате которой отдельные атомы приобретают значительно большую энергию, чем средний уровень энергии атомов, характеризуемый температурой данного тела. Эти атомы могут покидать равновесные положения в узлах решётки и перемещаться в междоузлиях, оставляя места в узлах решетки незанятыми.
Атом, расположенный в междоузлии решетки, называется дислоцированным атомом (рис. 1.3) , а узел в кристаллической решетке, не занятый атомом, называется, вакансией. Для атомов вокруг вакансии или дислоцированного атома нарушается равномерность окружения атомами – соседями по сравнению с бездефектными участками решетки (см. рис. 1.3).
Определение химического состава исследуемых сплавов и покрытий проводились на оптико-эмиссионном спектрометре «FoundryMate» серийный №3746А производства фирмы «BAIRD» (США) и др. приборами
Термическая обработка деталей после цементации. В зависимости от условий работы детали, а также от выбранной для изготовления детали стали режим упрочняющей термической обработки может быть различен. Для тяжело нагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес - высокую прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементированные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.
При первой закалке деталь нагревают до температуры на (30…50)0С выше температуры Ас3 цементируемой стали. При таком нагреве вся деталь переходит в аустенитное состояние. Нагрев до температур лишь немного превышающих Ас3 вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит и мелкозернистость продуктов распада. При этой температуре происходит и растворение избыточного цементита в аустените в поверхностном заэвтектоидном участке слоя. Наличие цементитной сетки недопустимо из-за появления хрупкости, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, при охлаждении проводят закалку.
При второй закалке деталь нагревают до температуры Ac1 с превышением на (30…50)0 С. В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностном заэвтектоидном слое, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали (рис. 1.7).
После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структypy мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Эвтектоидный подслой имеет мартенситную структуру. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. Если для цементации выбрана углеродистая сталь, то из-за малой прокаливаемости в сердцевине получится ферритоперлитная структура; если же цементировалась сталь легированная, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести сорбитную, трооститную или даже мартенситную структуру. Во всех случаях вследствие низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.
Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают более простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска (см. схему рис. 1.8, а).
Если для цементации выбираются природно мелкозернистые стали и содержание углерода на поверхности близко к эвтектоидному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства как в сердцевине, так и в цементированном слое. Однократная закалка находит широкое использование на крупных заводах массового производства, где цементацию осуществляют газовым карбюризатором. Выгодно и удобно в этом случае закалку проводить прямо с цементационного нагрева (см. рис. 1.8,б). процесс диффузионного насыщения азотом поверхностного слоя стальных деталей. Азотирование чаще всего используют для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей машин. Иногда к азотированию прибегают также для защиты от коррозии, так как азотированные поверхности имеют хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Азотированные слои могут иметь очень высокую твердость, достигающую
HV (1000…1200), что существенно превосходит твердость, получаемую после цементации и закалки – HV (750 … 950). Однако азотирование используют реже, чем цементацию из-за большей длительности процесса и меньшей толщины получаемого упрочненного слоя. Тем не менее, в ряде случаев азотирование предпочтительнее, например, когда требуется высокое сопротивление износу при наибольшей прочности в условиях знакопеременных нагрузок (коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, у которых азотируют шейки). Достоинством азотированного слоя является также сохранение твердости при нагреве до (500…600) С (поэтому часто азотируют гильзы цилиндров и штоки клапанов).
Азотирование проводят в аммиаке при температурах (500…600) С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород:
Активные атомы азота проникают в решетку -железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали Сr, Mo, Аl твердость азотированного слоя по Виккерсу достигает HV 1200, в то время как после цементации и закалки твердость - HV 900.
Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю, а также некоторые штамповые стали, например, 3Х2В8, 5ХНМ.
В системе Fe - N (рис. 1.9) при комнатной температуре при содержании азота до 11% устойчивы следующие фазы: промежуточная фаза -нитрид переменного состава с содержанием азота большим 8%; промежуточная фаза нитрид почти постоянного состава (Fe4N), содержащий около 6% N и азотистый феррит с небольшим содержанием азота. Оба нитрида имеют относительно невысокую твердость: -фаза - НV 450; -фаза - НV 550.
Исследование цементации и оптимизация состава науглероживающей среды стали Х13
После цементации требуется дополнительная термическая обработка изделий - закалка и отпуск для получения мартенситной структуры в диффузионном слое. В результате структурных превращений в этом слое создаются сильные сжимающие напряжения и повышается твердость, что также является упрочняющим фактором этого вида ХТО [26].
Объектами изучения являлись следующие материалы: конструкционные стали; Ст3- углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) -(0,14...0,22)% С, (0,3...0,65)% Mn, остальное Fe; цементуемые низкоуглеродистые (0,15...0,30)% С стали; хромомарганцевые стали (18...30)ХГТ – (0,17…0,30)%С, (1,0…1,3)% Cr, (0,7…1,2)% Mn, (0,2…0,3)%Мо; коррозионно-стойкие стали:Х13-(0,7…0,9)С, (12…14)Cr; 40х13 – (0,36…0,45)С, (12…14)% Cr и ряд других, сведения о которых будут представлены в главах 3 и 4. Покрытия диффузионные, полученные цементацией, нитроцементацией и цианированием, а также комбинированной обработкой в различных пастообразных карбюризаторах - средах. Оборудование и технологии.
Химико-термическую обработку образцов (цементацию, нитроцементацию, цианирование и др.) проводили в пастообразных высокоактивных карбюризаторах на основе мелкодисперсной газовой сажи с различными ускоряющими добавками.
Для цементации образцов использовали лабораторную вертикальную (шахтную) электропечь СШОЛ-12-М3-Ц4 мощностью 2,2 Квт с размерами рабочего пространства: диаметр 115 мм, глубина 250 мм. В печь устанавливали сварную реторту с герметически (на песочном затворе) закрывающейся крышкой. В реторту устанавливали перфорированный стальной контейнер, в который упаковывали (укладывали) образцы с высушенным цементующим покрытием, или подвешивали образцы без контейнера. В процессе цементации в печь подавали жидкий карбюризатор (синтин), который, разлагаясь при высокой температуре обеспечивал внутри реторты углеродосодержащую атмосферу, что усиливало науглероживающее действие сажевой обмазки (рис. 2.1)
После выравнивания температуры начинали отсчет времени насыщения. Температура в печи поддерживалась автоматически с помощью электронного потенциометра ЭПД -07 с точностью ±5С. Рис. 2.1 Схема лабораторной цементационной печи: 1- образцы; 2-карбонатно-сажевый карбюризатор; 3- газовая атмосфера; 4- реторта печи; 5-футеровка; 6- нагреватели; 7- песочный затвор; 8- крышка печи; 9- трубка для подачи карбюризатора; 10- капельница; 11- бачок с жидким карбюризатором; 12-термопара; 13- трубка для выхода газа; 14- электронный потенциометр.
Образцы цементовали также с использованием обмазки и твердого наполнителя, для чего изготавливались цилиндрические стальные контейнеры (толщина стенки 3 мм) с крышками. Перед использованием контейнеры подвергали цементации, чтобы при проведении опытов стенки контейнера не забирали углерод из исследуемых карбюризаторов. Для этого внутрь контейнера насыпали древесноугольный карбюризатор и выдерживали в печи при температуре 900С в течение 10 часов.
Образцы с высушенной обмазкой укладывали в подготовленный контейнер, промежутки между образцами засыпали порошкообразным наполнителем (чугунной стружкой или отработанным древесноугольным карбюризатором) и закрывали крышкой. Крышку герметизировали, заполняя зазоры замазкой, состоящей из огнеупорной глины и кварцевого песка (по 50) % контейнер с упакованными в него образцами помещали в печь, разогретую до необходимой температуры, реторту при этом не использовали (рис. 2.2).
Охлаждение образцов после цементации проводили в контейнерах до температуры 400С, после чего образцы высыпались на решётку (сепаратор), на которой охлаждались до комнатной температуры. При этом наполнитель и часть обмазки просыпались через решетку в ящик для сбора отработанного карбюризатора. Образцы, цементованные без контейнеров, использовались, главным образом, для непосредственной закалки с цементационного нагрева.
Закалку цементованных образцов проводили после их очистки от следов цементующей пасты с нагревом в муфельной печи ТП-2 в воздушной атмосфере. Для охлаждения при закалке использовали минеральное масло или воду (в зависимости от цели эксперимента). Отпуск закаленных образцов проводили в той же печи, что и закалку.
Оптическая система спектрометра базируется на полихроматоре по схеме Пашена - Рунге с вогнутой дифракционной решеткой 2010 штр/мм с фокусным расстоянием 750 мм, работающей во втором порядке дифракции. Имеется возможность установки второго полихроматора с вогнутой дифракционной решеткой 2700 штр/мм с фокусным расстоянием 500 мм, работающей во втором порядке дифракции. Ширина входной щели 15 мкм. Ширина выходных щелей от 10 до 15 мкм. Может быть установлено до 32 выходных щелей. Регистрация спектра осуществляется с помощью набора фотоумножителей, оптимизированных на определенные участки спектра.
Конструктивно спектрометр выполнен в виде настольного прибора с отдельно устанавливаемым компьютером.
Управление процессом измерения и обработки выходной информации осуществляется от IBM-совместимого компьютера с помощью специального программного комплекса.
Программным образом осуществляется настройка прибора, построение градуировочных зависимостей на основе анализа стандартных образцов, оптимизация его параметров, управление его работой, обработка выходной информации, печать и запоминание результатов анализа. Во всех частях программы, в которых требуется какой-либо ввод, в память заложено необходимое установочное значение, принимаемое программой по умолчанию и соответствующее стандартным методикам. Поэтому в большинстве случаев для проведения анализа достаточно в методе анализа задать лишь необходимые для определения элементы. В спектрометре имеется выходной интерфейс RS-232 и возможность его дистанционного диагностирования с помощью модема.
Структура и свойства конструкционных сталей после двухкомпонентного диффузионного упрочнения на основе бора
Для контроля состава атмосферы используется метод определения точки росы, который основан на измерении содержания водяных паров в газовой атмосфере, которое коррелирует с углеродным потенциалом атмосферы. Для измерения точки росы используются конденсационные гигрометры, работа которых основана на определении температуры охлаждаемого металлического зеркала в момент конденсации на нём влаги, содержащейся в газе (ВИГ-1, ВИГ-2 и др.).
Наиболее широко используется эндотермическая атмосфера (типа КГ-ВО), так как в ней наиболее просто достигается равновесная концентрация углерода для всей аустенитной области системы Fe-С. В эндотермической атмосфере можно допустить присутствие значительного количества обезуглероженных компонентов, таких как СО2 и Н2О, которые в реальных условиях печного пространства усиленно образуются из-за подсоса воздуха, наличия окислов железа и т.д. Компенсируют обезуглероживающее действие названных компонентов добавкой в атмосферу метана, который взаимодействует с углекислотой и водяными парами и уменьшает их количество. В случае добавок метана в эндотермическую атмосферу важно знать его равновесные количества, т.к. при повышенном содержании метана он разлагается с выделением углерода, причём выделяющийся углерод может служить для установления равновесия углерода с -твёрдым раствором, а при выделении выше предела растворимости в твёрдом растворе образовывать графит (сажу) на поверхности деталей.
Серия экспериментов была посвящена исследованию влияния добавок метана CN4 и аммиака NH3 на скорость взаимодействия эндотермической атмосферы с нелегированным -твёрдым раствором (аустенитом). Проводилось насыщение фольги толщиной 0,05 мм из армко-железа в атмосферах с различным содержанием CN4 и NH3 при температуре 925С.
Добавление в атмосферу метана повышает её углеродный потенциал, что выражается в степени насыщения фольги. При увеличении добавки метана насыщение фольги углеродом нарастает, однако, как только концентрация углерода в фольге превысит величину предельной растворимости углерода в аустените, начинается процесс интенсивного сажевыделения на фольге, а также образования в ней цементита.
Хроматографический анализ содержания метана в атмосфере в зависимости от скорости потока (расхода атмосферы) показывает, что остаточные содержания весьма велики и несколько уменьшаются с уменьшением расхода. Это свидетельствует о неполном (неравновесном) протекании реакции с метаном на реагирующих поверхностях из-за малых скоростей этих реакций. Добавка аммиака в эндотермическую атмосферу при таких количествах не вызывает сажевыделения.
При малых добавках (до 3% аммиака) в эндогаз с точкой росы tp = (-2...0)C ощутимых изменений скорости науглероживания фольги не наблюдается, что позволяет утверждать, что аммиак не ускоряет реакцию образования окиси углерода в атмосфере. При обработке в эндогазе с tp = +10 С с добавлением аммиака ( 10%) фольга насыщается, главным образом, азотом (в пределах твёрдого раствора), что указывает на малую величину науглероженного потенциала атмосферы. Полученные эксперименты позволили получить зависимость константы скорости реакции насыщения азотом аустенита, которая имеет следующий вид: Кн= 1,2510-4 ехр (-16,3/RT) (3.3) Так, значение Кн при 925С равно 2,510-5 см/с, что примерно в два раза выше, чем в случае насыщения углеродом.
Анализируя скорость насыщения фольги азотом и углеродом при различных температурах (в интервале существования аустенита), можно заключить, что она практически соответствует величине растворения углерода и азота в -Fe. Энтальпия растворения углерода в аустените при 925С равна 40,3 кДж/моль, а энтальпия растворения азота - 12,75 кДж/моль. При достаточно высоком углеродно-азотном потенциале атмосферы науглероживание аустенита происходит интенсивнее, чем азотирование. Таким образом, можно заключить, что рассматриваемое взаимодействие контролируется процессами растворения углерода и азота на реагирующей поверхности.
При реакциях компонентов контролируемых атмосфер с углеродом -твёрдого раствора происходит образование молекул или радикалов, которые определяют скорость взаимодействия газовой среды с поверхностью. Лимитирующей стадией является распад СН4 и образование СН3(ад) (в адсорбируемом состоянии); СО2(ад); СО(ад); СН3(ад) или NН2(ад).
Дополнительные факторы, влияющие на скорость реакции, могут быть следующими: во-первых, следует отметить наличие на насыщаемой поверхности пассивных окисных плёнок или слоев, замедляющих процессы адсорбции и диффузии; во-вторых, торможение реакции особенно заметно при наличии в стали таких элементов, как кремний и хром, дающих плотные оксидные плёнки.
В работе [2] методом ожэ-электронной спектроскопии установлено тормозящее влияние сегрегации серы на процессы науглероживания и азотирования железа. Добавка серосодержащих компонентов в газовые атмосферы подавляет обезуглероживание и деазотирование, предотвращает выделение углерода из СО при цементации стали.
Есть данные [94], что шероховатость поверхности также влияет на скорость реакции, однако это влияние весьма незначительно. Путь к повышению скоростей реакций, значения которых должны быть максимальными для случаев науглероживания и азотирования стали, состоит в применении атмосфер с большим отношением . Кроме того, повысить скорости реакций на насыщаемой поверхности можно воздействием на активизированные комплексы электрическим, ионным разрядом или другими средствами с тем, чтобы повысить количество газовых молекул.
