Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65


Рис. 6.7. Участок диаграммы Fe -N. Изменение содержания азота и фазового состава по

толщине слоя при /азот

атомов в широком интервале концентраций азота.

При медленном охлаждении после азотирования вследствие переменной растворимости азота в а- и е-фазах (см. рис. 6.7) происходит выделение избыточной Yii-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следуюшей: (е-Ьуп) - -у-{а + Yii) - а.

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбони-тридных фаз.

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой е-фазы, коррозионно-стойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Fe-N е- и у-фазы имеют сравнительно невысокую твердость, соответственно HV 4500 и HV 5500 МПа. Значительно большая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей- нитраллоев, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Сг, Мо, А1, V, Ti.

При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической вьщержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне. Установлено, что при азотировании упрочнение а-фазы в легированных сталях происходит по механизму старения пересыщенных твердых растворов. При образовании полностью когерентных зародышей нитридной фазы в а-фазе легированных сталей наблюдается максимальная твердость.

Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирования легированной стали 38Х2МЮА, содержащей 0,35-0,42% С; 1,35-1,65% Сг; -0,7-1,10% А1 и 0,15-0,25% Мо. Комплексное легирование хромом, алюминием и молибденом позволяет повысить твердость азотированного слоя до ЯК 12ООО. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Процесс азотирования-весьма длительная операция. Так, при обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500-520 °С за 55 ч выдержки. Такую же толщину зоны можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510°С-15 ч и 550°С-25 ч.

По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает величину контактных нагрузок на поверхность детали.

Ионное азотирование и цементация. Для. активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование (азоти-



рование в плазме тлеющего разряда). При этом достигается значительное сокращение общего времени процесса (в 2-3 раза) и повышение качества азотированной зоны.

Процесс ионного азотирования ведут в стальном контейнере, который является анодом. Катодом служат азотируемые детали. Через контейнер при низком давлении пропускается азотсодержащая газовая среда (аммиак, азот и др.).

Вначале азотируемая поверхность очищается катодным распылением в разреженном азотсодержащем газе или водороде. При напряжении около 1000 В и давлении 13,33-26,66 Па (1-2 мм рт. ст.) ионы газа бомбардируют и очищают поверхность катода (деталей). Поверхность при этом нагревается до температуры не более 2(Ю°С. Затем устанавливается рабочий режим в диапазоне основных параметров: напряжение 300-800 В, давление 133,3-1333 Па (1-10 мм рт. ст.), удельная мощность 0,7-1 Вт/см. Поверхность детали нагревается до требуемой температуры (450-550 °С) в результате бомбардировки положительными ионами газа. Ионы азота поглощаются поверхностью катода (детали), а затем идет диффузия вглубь. Параллельно с этим протекает процесс катодного распыления поверхности, что позволяет проводить азотирование трудноазоти-руемых сплавов, самопроизвольно покрывающихся защитной оксидной пленкой, которая препятствует проникновению азота при обычном азотировании. Ионное азотирование инструментов из быстрорежущей стали повьннает стойкость в 2-5 раз в зависимости от условий резания.

Наряду с ионным азотированием начинают применять ионную цементацию деталей. В отличие от ионного азотирования при ионной цементации требуется более высокая температура нагрева поверхности (900-1050 °С), что достигается либо увеличением удельной мощности.

либо применением дополнительного внешнего нагрева цементуемых деталей. Исходной газовой средой являются углеводороды, которые разбавляются аргоном или азотом для предотвращения вьщелений сажи на насыщаемой поверхности. Сажа препятствует науглероживанию.

При ионной цементации, как и при ионном азотировании, наблюдается ускорение диффузионного насыщения, особенно в начальной стадии, и сокращение общей длительности технологического процесса по сравнению с тради-пионными способами цементации и азотирования.

Одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определенные преимущества. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 °С и получить примерно такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подсту-живания. Такой процесс называют ни-троцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа с 3-5% аммиака, а в диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитро-цементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.

Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.

Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также проводить при температуре 820-8600 в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. В ванне, содержащей 20- 25% NACN, 25-50% NaCl и 25-50% NajCOj, за 1 ч вьщержки при указанной температуре можно получить диффузионный слой толщиной примерно



0,3 мм, который после закалки от 820-860 °С из ванны и отпуска при 180-200 °С приобретает поверхностную твердость HRC 58-62 и содержит примерно 0,7 % С и 1 % N. Цианированный слой по сравнению с цементованным обладает более высокой износостойкостью.

Полагают, что при активном участии кислорода воздуха в цианистой ванне протекают следующие реакции:

2NaCN + 02->2NaCNO; 2NaCNO -Юг - aJCO -l- СО -Ь 2N; 2СО->С02+С.

Нейтральные соли NaCl и NajCOj добавляют для повыщения температуры плавления ванны, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых солей при температурах цианирования.

Существенный недостаток цианирования-ядовитость цианистых солей, что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.

В связи с этим разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием «Карбонитрация» (СССР), «Тенифер» (ФРГ) и «Мелонайт» (США).

Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение деталей в расплаве едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [CN~].

Для повышения стойкости быстрорежущего инструмента после закалки и высокого отпуска проводят карбони-трацию.

В зависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в следующих пределах: температура расплава 530-570° С, время выдержки 5-30 мин.

6.3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и неметаллами

Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислительному действию рабочей или окружающей среды. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (алюминирова-ние), хромирование и силицирование из порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (NH4CI, NH4J и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем и др.) для предотвращения спекания смеси.

Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами, нагревают в печи до 1000-1200 °С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев заданных толщины и структуры.

Примеры некоторых порошковых смесей приведены в табл. 6.2.

ТАБЛИЦА 6.2. Составы порошковых смесей для алитирования, хромирования и снлицирования

Процесс химико-термической обработки

Состав смеси, %

Алитирование

49 - 49,5 А1; 49 - 49,5 AI2O3: 1-2 NH4CI

99,5 FeAl; 0,5 NH4CI

Хромирование

50 FeCr; 43 AljO,; 7 NH4CI

60FeCr; 38,8 каолина; 1,2 NHCl

Силицирование

40 Si; 59 AI2O3; 1 NH4CI

75FeSi; 20 шамот; 5 NH4CI

В процессе химико-термической обработки в контейнере одновременно или последовательно протекает несколько химических ре-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65