Цементация стали

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ...

В книге изложены основы теории и практики процессов химико-термической обработки стали. Рассмотрены общие закономерности диффузии углерода в стали; процессы цементации; распределение содержания углерода в цементованном йлое; влияние различных факторов на результат цементации; технологические процессы цементации и термической обработки цементованной стали; составы чехословацких и советских твердых карбюризаторов; составы смесей для цементации в жидких и газовых средах. Приведены данные о структуре и свойствах цементованной стали в термически обработанном состоянии и обзор цементуемых сталей, Содержится описание оборудования, применяемого для различных методов цементации; изложены основные требования к цементованному слою.
...
Книга предназначена для инженерно-технических работников машиностроительных заводов и научно-исследовательских институтов, а также для студентов высших учебных заведений машиностроительного и металлургического профилей.
...
Технологические процессы поверхностного насыщения (диффузии) стали различными элементами широко применяют в машиностроении. Речь идет о двух способах химико-термической обработки: цементации и азотировании. Остальные процессы можно отнести к первому или второму способам, в зависимости от того, какой из диффундирующих элементов будет основным.
...
Монография по азотированию была написана несколько лет тому назад. В настоящей книге рассматривается вопрос о цементации стали. Обе монографии, имея много общего, отличаются одна от другой тем, что в первой («Азотирование») исчерпывается ограниченная тема и значительное место уделено полной библиографии; во второй — содержится обзор основных сведений по цементации стали, а в библиографию включены только источники, являющиеся самыми важными и новейшими. В Чехословакии до сих пор не было книг по цементации. В иностранной литературе такие книги имеются и их выпущено больше, чем книг, посвященных азотированию.
...
При цементации производится термическая обработка большого количества марок стали. В книге основное внимание уделено технологии цементации, а также приведены некоторые сведения об устройстве печей и оборудовании цехов.
...
Автор приносит благодарность инж. Богумилу Пршеносилу за активное сотрудничество в работе над главой VII, рецензентам инж. Богумилу Воженилку и инж. Олдржиху Красному за ценные замечания, проф. Ф. Грониху за представленные им оригинальные фотографии.
...
Сведения о превращении мягкой ковкой стали в закаливаемую твердую сталь при нагревании в порошке из древесных углей, костей, рогов и других присадок мы находим в древних письменных памятниках и преданиях (Теофил Пресбытер в XI столетии, Нибелунги и др.), а также при металлографическом изучении древних изделий. В XVII столетии уже применялась цементация пруткового материала для превращения мягкой ковкой стали в твердую инструментальную и пружинную; существовали мастерские по цементации стали.
...
Для развития и углубления теоретических и практических знаний по цементации много сделал известный ученый и технолог начала XVII столетия Антуан Фершо де-Реомюр; он разработал состав твердого карбюризатора, в который наряду с древесным углем уже входили зола и поваренная соль. Исследования, выполненные при производстве ковкого чугуна и цементации, привели Реомюра к выводу, что испытание на твердость — вполне приемлемый метод контроля качества цементации.
...
В XVIII в. впервые удалось переплавить в тигле сварочную сталь (всегда загрязненную шлаком) и получить литую сталь с особыми свойствами. С этого времени цементацию стали как способ подготовки тигельного сырья применяли 150 лет. Только в начале минувшего столетия для цементации начали использовать особые печи (рис. 1), отапливаемые вначале твердым топливом, а позднее газом; они были похожи на металлургические печи. Основными их частями были камеры /, предназначавшиеся для цементации; топка 2, где сжигалось топливо; каналы 3, по которым пламя омывало камеры для цементации; отверстия 4, куда вставлялись контрольные образцы (свидетели) толщиной 10—20 мм и шириной 50—100 мм (с помощью этих образцов контролировали процесс цементации). Камеры имели длину 2,5—4,5 м и поперечное сечение 1X1 м. В них загружали до б г стали; свободное пространство тщательно закладывали твердым карбюризатором и нагревали печь до температуры 1050—-1100° С. Цементация одной садки
...
продолжалась десять дней, после чего по содержанию углерода в контрольных образцах определяли результаты цементации.
...
На теоретическую сторону процесса цементации внимание было обращено в XIX и XX вв. Тогда же определили, как влияют на цементацию материалы, богатые азотом (белковые вещества, желтая кровяная соль). Действительную сущность воздействия различных веществ на качество цементации удалось объяснить только в настоящее время.
...
Предложения по использованию газовой среды для цементации также известны с начала прошлого столетия.1 К этому же периоду относится предложение о добавке углекислого бария к древесному углю.
...
В дальнейшем цементацией занимались выдающиеся теоретики и практики-металлурги: Чернов, Маннесман, Робертс-Аустен, Осмонд, Ле-Шателье, Шарпи и Ледебур [70]. К исследователям, посвятившим цементации значительную часть своих трудов, можно отнести Ф. Джиолитти [4], Л. Гийе [7], А. Н. Минкевича [10], Фещенко-Чаповского [44] и многих других.
...
Классические способы цементации в твердых карбюризато--рах были последовательно расширены цементацией в газовой среде и позже-—цементацией в соляных ваннах; количество различных вариантов основных процессов непрерывно увеличивалось.
...
Продолжительное время для цементации применяли только мягкие углеродистые стали. Однако с развитием вооружения в военной промышленности в конце XIX века были внедрены новые высококачественные никелевые и хромоникелевые стали, предназначенные не только для стволов орудий, но и для брони. В начале XX века высококачественные цементуемые стали начали применять в автомобильной и в зарождающейся авиационной промышленности. До первой мировой войны выбор марок цементуемых сталей был ограниченным (никелевые и хромоникелевые стали). Так как в никеле ощущался недостаток, дальнейшее расширение области применения цементации привело к использованию в промышленности цементуемых сталей с малым содержанием никеля или без него.
...
В настоящее время цементация имеет большое хозяйственное значение. Уже давно отказались от цементации стали при получении сырья и полуфабрикатов. Основное значение цементации в настоящее время состоит в том, что она применяется в машиностроении как процесс окончательной обработки деталей. При помощи цементации, например, можно изготовлять детали с твердой поверхностью и хорошей вязкостью сердцевины. Такие детали хорошо сопротивляются поверхностному износу и выдерживают значительную ударную нагрузку без разрушения.
...
Цементация удлиняет срок службы деталей до полного износа и способствует повышению точности работы станков некоторых типов.
...
Одновременно применение деталей с высоким качеством цементации расширяет конструктивные возможности и позволяет создавать производительные станки с большим числом оборотов при экономически целесообразном времени их эксплуатации. Оба эти преимущества проявляются прежде всего при производстве автомобилей, мотоциклов и велосипедов, современных железнодорожных вагонов, самолетов, а также при изготовлении различных производственных станков (производительных и обрабатывающих автоматов в металлопромышленности, в текстильном производстве, в книгопечатании, в производстве инструментов и приспособлений и т. п.). Изготовление же станков с большой производительностью и длительным временем эксплуатации без использования цементованных деталей весьма затруднительно.
...
Цементация — не единственный способ, позволяющий получить высокую поверхностную твердость деталей машин. Тем не менее, она до сих пор широко распространена не только в Чехословакии, но и за ее пределами. Значение цементации по сравнению с остальными способами поверхностного упрочнения деталей рассмотрено в заключительной главе этой книги,
...
Цементация-—диффузионный процесс, при котором поверхностный слой мягкой стали насыщается углеродом. После закалки цементованной стали отчетливо различаются твердости поверхности и сердцевины. При некоторых способах цементации в карбюризатор вводят вещества, содержащие азот. До тех пор, пока преобладает диффузия углерода, процесс считают цементацией. В таких случаях присутствующий азот рассматривают как элемент, несколько изменяющий равновесие диаграммы Ре — С в направлении расширения области аусте-нита.1 Процессы, протекающие в соответствии с диаграммой равновесия Ре — N. относятся к азотированию. После азотирования, за исключением особых случаев2, закалку не производят.
...
Поскольку в настоящей книге поставлена цель подробно ознакомить с цементацией и ее сущностью, необходимо напомнить некоторые превращения, протекающие согласно диаграмме равновесия системы Ре — С, в соответствии с которой назначается предварительная и окончательная термическая обработка слоя.
...
В диаграмме равновесия Ре — С достаточно рассмотреть только часть, имеющую значение для цементации стали и соответствующую наибольшей растворимости углерода в аусте-ните. Для этого пригодна метастабильная карбидная система, так как цементация практически не связана со стабильной графитовой системой.
...
Часть диаграммы равновесия изображена на рис. 2 с учетом последних данных [9]. На ней использовано общепринятое обозначение точек превращения; область над точками Ь,
...
Точки, ограничивающие нижнюю часть диаграммы, определяют содержание углерода и соответствующие температуры: в —
...
Ниже 723° С феррит, находясь в контакте с углеродом, практически не растворяет его и только после повышения температуры на поверхности их контакта может образоваться небольшое количество твердого раствора углерода в у
...
Вследствие диффузии углерода процесс, первоначально начавшийся на поверхности стали, распространяется к сердцевине. При температуре цементации выше 910° С феррит уже не существует, и углерод легко диффундирует в твердый раствор аустенита, который в этой стадии содержит лишь небольшое количество углерода.
...
Феррит мягок и. обладает сравнительно высокими пластическими свойствами в холодном и нагретом состоянии. Мягкая углеродистая сталь с большим количеством феррита не принимает закалки (т. е. при использовании закалки не приобретает высокой твердости). Нагрев низкоуглеродистой стали до температуры закалки способствует, при наличии малых количеств перлита, переходу феррита в твердый раствор \. Образовавшийся при закалке мартенсит содержит малое количество углерода, что не приводит к большим искажениям кристаллической решетки а-железа.
...
Наличие смеси аустенита с ферритом можно объяснить тем, что из твердого раствора углерода в аустените при понижении температуры ниже QOS
...
ляющийся из аустенита с концентрацией вблизи точки 5, является как бы оболочкой зерна аустенита. Он имеет вид сетки или пластинок по плоскостям скольжения (на рис. 3 — иглы, внедряющиеся в кристаллы аустенита). В этом случае феррит может внешне походить на цементит. Указанный случай приводится как часто встречающийся в металлографии цементованных слоев.
...
Феррит и аустенит специальных сталей легируются добавками элементов, присутствие которых влияет на положение то-
...
чек превращения равновесной системы железо — углерод. Эти элементы растворяются как в а-железе, так и в у-железе. Кремний, хром, алюминий и другие элементы расширяют область феррита; марганец и никель, а также азот — область, аустенита.
...
Цементит — это карбид железа РезС, кристаллизующийся в ромбической системе. У легированных сталей железо может замещаться марганцем, хромом, молибденом и вольфрамом; с этим связано образование двойных карбидов.
...
Цементит выделяется по линии 5£ из насыщенного углеродом аустенита. Вблизи точки 5 цементит образует оболочку по границам зерен аустенита. Но даже при 2% С не выделяется такого количества цементита, при котором его сетчатое строе^
...
При нагревании и охлаждении сплавов углерода с железом происходят превращения, соответствующие точкам: Лс3(Лг3), Ас2(Аг2), Ас^Ап) и Асст.
...
Перлит представляет смесь двух фаз, весьма различных по своим свойствам; его предельные механические качества и физические свойства почти отвечают соотношению обеих составных частей в смеси. Перлит достаточно тверд, сохраняет относительную вязкость и небольшую пластичность, обладает значительной сопротивляемостью трению.
...
Пластинчатый перлит имеет все признаки эвтектоидных структур; как эвтектоид он образуется из твердого раствора в виде чередующихся пластинок феррита и цементита, причем очень тонких и относительно равномерно расположенных. Перлит такого вида постоянно встречается в структуре спокойно охлажденной цементованной стали. У некоторых углеродистых сталей в цементованном слое иногда возникает неправильная1 структура, обусловленная необычной формой выделения феррита и цементита вместо перлита.
...
При распаде аустенита иногда образуются неравномерные пластинки и перлит получается необычным, так как цементит выделяется в виде сетки, располагающейся по границам исходного зерна аустенита, а вблизи цементита образуется феррит (рис. 6). Как правило, внутри зерен находится грубый пластинчатый перлит; в целом же его структура только изредка бывает анормальной.
...
При закалке недостаточно перевести цементит в твердый раствор, так как имеются участки, лишенные углерода, и слои с анормальной структурой. Эти особенности служат причиной образования мягких пятен при цементации. Так как анормальная структура наблюдается в цементованном слое, а не в самой стали с аналогичным содержанием углерода, то была
...
позднее Гийе [7] обратили внимание на то, что анормальная структура зависит от раскисления стали и от исходного зерна аустенита. Несколько позднее было установлено [39], что у совершенно чистых сплавов железа с углеродом при эвтектоид-ном строении возникает анормальная структура.
...
Известно, что при цементации ненормально ведет себя мелкозернистая сталь, раскисленная алюминием на последней стадии ее изготовления. Она содержит много субмикроскопических
...
Рис. 6. Анормальный перлит (слева — зерна цементита, справа внутри зерен цементита небольшое количество пластинчатого перлита [7], Х800).
...
центров кристаллизации, которые нарушают распад аустенита в перлит нормального вида. После закалки такая сталь имеет мартенситную структуру не во всех объемах металла, так как ее С-образная кривая оказывается сдвинутой в направлении меньшей устойчивости аустенита и поэтому при быстром охлаждении образует не только мартенсит, но отчасти и переходные структуры. Этим объясняется появление мягких пятен у мелкозернистой стали после повторной закалки.
...
Указанный дефект устраняют увеличением скорости охлаждения при закалке (резкой закалкой в воде с примесями), укрупнением зерна (цементацией при высокой температуре, либо интенсивным нагревом перед закалкой), или введением азота в слой (цементацией в твердом карбюризаторе с добавкой желтой кровяной соли, либо нагревом стали для закалки в ванне, содержащей цианид).
...
Устранению склонности к образованию анормальной структуры способствует легирование стали. Сталь, содержащая
...
больше 0,6°/о марганца или несколько десятых процента хрома, утрачивает склонность к образованию анормальной структуры.
...
Раскисление стали или содержание в ней кислорода перед раскислением и распределение появившейся окиси алюминия способствуют, с одной стороны, уменьшению величины зерна, а с другой — образованию анормальной структуры. Эти два фактора не встречаются одновременно, но каждый из них может вызвать появление мягких пятен после закалки. Не всякая мелкозернистая сталь дает анормальную структуру и бывает причиной появления мягких пятен после закалки. Сталь становится иногда анормальной под влиянием и других факторов: неравномерная закаливаемость, плохая прокаливаемость при нагреве для закалки и т. п.
...
При цементации в некоторых случаях к науглероживающим материалам добавляют вещества, содержащие азот. Цементацию производят также и в цианистых слоях, содержащих углерод и азот. При цементации в газовой среде можно вводить азот. Сталь, обработанная одним из этих методов, насыщается одновременно углеродом и азотом и поэтому в цементованном слое обнаруживают азот. Система железо—азот достаточно исследована [62]. В ней есть фазы и структуры, подобные фазам и структурам системы железо — углерод. Например, существуют азотистый феррит, азотистый аустенит и азотистый эвтектоид, являющийся аналогом перлита; имеется фаза у, образуемая преимущественно нитридом Ре4Ы, соответствующим цементиту. К сплавам системы железо-—азот применима закалка, в результате которой получается азотистый мартенсит.
...
В системе железо — азот в отличие от системы железо — углерод все основные температурные точки лежат намного ниже, однако остается неисследованной верхняя часть диаграммы, которая могла бы объяснить поведение нитридов и твердых растворов при изменении температуры.
...
Азот, содержащийся в сплаве железо — углерод, влияет прежде всего на область у и снижает температуру превращения в точке Ас\. По данным Помея [81], при содержании 0,56 азота температура понижается на 43° С, а по данным Пршеносила [83], при содержании 0,28°/о азота — на 23° С.
...
Существующая С-образная кривая распада азотистого аустенита указывает, что в сплавах системы железо—азот скорость охлаждения этого аустенита, достаточная для образования мартенсита, почти, в десять раз меньше, чем скорость охлаждения при образовании мартенсита в сплавах системы железо — углерод. Вследствие этого С-образная кривая для углеродистой
...
§ 4. Влияние азота на равновесную систему железо — углерод
...
стали при наличии азота перемещается вправо, т. е. в область большей устойчивости азотистого аустенита. Этим объясняется лучшая прокаливаемость материалов, содержащих азот. При цементации вещества, содержащие азот, выделяют его в атомарном состоянии.
...
Значение контакта поверхности стали с углеродом. Для активной диффузии необходимым условием является близкий контакт поверхности с диффундирующим элементом или со средой, взаимодействующей с этой поверхностью. У двух сплавов диффузия лучше всего происходит в тех местах, где сплавы либо сварены, либо имеют покрытие, нанесенное гальваническим способом, либо плотно прижаты один к другому. Диффузия углерода в сталь также зависит от такого контакта. При цементации в твердых средах было доказано, что передатчиком углерода к поверхности стали является газ; хороший контакт со сталью получается в жидкой (при хорошем премешивании ванны) и газовой (при хорошей циркуляции) средах.
...
Диффузия углерода может происходить также и в предварительно вакуумированном пространстве при условии близкого контакта стали с насыщающей средой.
...
Степень науглероживания при цементации зависит от состояния поверхности стали. Поверхность, очищенная механически или травлением, лучше способствует диффузии, чем поверхность, покрытая слоем окислов. Пассивная поверхность самопроизвольно окисленных хромистых сталей препятствует не только цементации, но и нитрированию [106]. До настоящего времени в
...
При рассмотрении вопросов диффузии предположили, что существует идеальный контакт среды и достаточное количество углерода в ней независимо от того, изменяется концентрация углерода в непосредственной близости к поверхности или нет.
...
Если в этом уравнении вместо I и ц подставить единицы измерения времени и площади и не принимать во внимание направление диффузии, то уравнение получит простой вид
...
где О — коэффициент диффузии, см2/сек (при высоких температурах иногда величина коэффициента может быть большой).
...
Этот коэффициент показывает, насколько быстро протекает диффузия. Если перепад концентрации соответствует единице, коэффициент диффузии отражает непосредственно то количество вещества, которое за единицу времени пройдет через единицу сечения.
...
На величину коэффициента диффузии влияет температура. Это видно из данных, приведенных в табл. 1 и на рис. 7, которые показывают среднюю величину изменения коэффициента диффузии углерода в сталь при различной температуре.
...
например, что добавка 4-атомных процентов (т. е. 4,2 весовых процента) кобальта приводит к увеличению коэффициента диффузии вдвое, и наоборот, прибавка 3-атомных процентов молибдена и 1-атомного процента вольфрама (т. е. 5,06 и 3,22 весовых процента) уменьшает значение коэффициента наполовину. По
...
Рис. 7. Зависимость коэффициента диффузии углерода в сталь (средние результаты из ряда практических опытов [95]) от температуры.
...
Влияние азота на коэффициент диффузии рассмотрено в работе Брамлея [28]; отмечается, что при одновременной диффузии углерода и азота коэффициент для углерода является более высоким (табл. 2).
...
Влияние одновременной диффузии азота и углерода на диффузию углерода [28]
...
В железе, нагретом до температуры выше Ас3, малые атомы углерода легко проникают в решетку ужелеза> и диффузионный слой продвигается равномерно. Если же диффузия останавливается, то углерод в слое распределяется примерно в соответствии с прямой 1 (рис. 9). Практически диффузия всегда несколько затормаживается и действительное распределение содержания углерода соответствует кривой 2.
...
Плавное распределение углерода в слое достигается во время диффузии при температурах, обеспечивающих появление структуры аустенита, особенно у никелевых сталей, которые не обнаруживают склонности к резкому науглероживанию поверхности. В противоположность никелевым сталям поверхностное науглероживание у сталей, содержащих хром, происходит более интенсивно. На изменение концентрации углерода по глубине влияет также температура: при низких температурах наблюдается более резкое, а при высоких — плавное падение концентрации углерода. Если процесс цементации протекает в интервале температур Лс3 — Аси диффузия вследствие постепенного растворения феррита в аустените замедляется. Аустенит непрерывно обогащается углеродом и концентрация последнего достигает на поверхности 3,1%; в связи с этим переход от поверхности к сердцевине получается резким (перепад углерода крутой). Такой слой после закалки легко откалывается.
...
На рис. 10 представлены три кривые распределения углерода при цементации, относящиеся к трем различным температурам.
...
Равномерное распределение углерода можно улучшить дополнительным отжигом при температуре цементации без дальнейшего насыщения поверхности углеродом.
...
Сталь любой марки представляет собой почти однородный сплав, условия термической обработки которого определяются содержанием углерода и остальных элементов, их влиянием на вид диаграммы изотермического распада аустенита, на положение линий на этой диаграмме, на кривую прокал'иваемости и т. д.
...
В противоположность этому цементованный слой представляет в разрезе непрерывный ряд сплавов, в которых углерод изменяется от содержания его в самой стали (содержание углерода в сердцевине) до максимального на поверхности слоя (рис. 11).
...
Рис. 12. Полосы наибольшей твердости легированных и углеродистых сталей с различным содержанием углерода, закаленных в воде (результат более чем 1000 испытаний).
...
Для выбора содержания углерода в сердцевине не существует никаких неизменных правил. Чаще всего (см. гл. II) содержание углерода в стали составляет около 0,15%. Бывают, однако, случаи, когда цементуемая сталь применяется с большим содержанием углерода. Самое высокое содержание углерода на поверхности (р толстых слоях цементации) доходит до 1,2%.
...
При цементации в газовой среде можно точно управлять степенью науглероживания. Учитывая это, не допускают повышения содержания углерода на поверхности больше 0,9%, даже во время получения толстых слоев, и чаще придерживаются эвтектоидного состава. Ниже приведены случаи, когда следует придерживаться в период цементации наибольшего содержания углерода в пределах 0,65—0,8%. Кривая (рис. 12) показывает твердость углеродистой стали, закаленной в воде. Максимальная твердость достигается при эвтектоидном составе. Более высокое содержание углерода вызывает появление структурно свободного цементита, который уже не повышает твердости стали, но увеличивает сопротивление трению. Поэтому температуру термической обработки слоя выбирают такой, чтобы выполнить требования, предъявляемые к свойствам слоя и сердцевины.
...
На рис. 13 на части диаграммы равновесия железо — углерод наглядно показан цементованный слой с содержанием углерода от 1,2 до 0,15% при различных температурах. При температуре цементации разрез слоя выглядит как однородный аустенит. Зерно его соответствует первоначальному природному зерну стали, так как обогащение ее при цементации углеродом не изменяет величины зерна.
...
Предположим, что, закончив цементацию, сталь оставили постепенно охлаждаться. При понижении температуры до уровня В в сердцевине появляется феррит и сохраняется еще незначительное количество аустенита; перекристаллизация вызывает, в зависимости от скорости охлаждения, измельчение зерна. С повышением содержания углерода количество аустенита в слое возрастает до тех пор, пока вблизи эвтектоидной точки существует зона только из аустенита. Ближе к поверхности цементованного слоя между зернами аустенита появляется небольшое количество цементита.
...
При дальнейшем медленном охлаждении до температуры С наступает распад аустенита на перлит. Зерно в доэвтектоидном слое остается мелким; в заэвтектоидном оно не меняется по величине. Такое состояние сохраняется при охлаждении до температуры окружающей среды.
...
Более сложны условия закалки от температуры А или В при охлаждении после цементации и новом нагревании. Если закалить сталь от температуры цементации, то доэвтектоидная-
...

Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали
Контактная сварка
Термическая обработка в машиностроении: Справочник

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Цементация стали