CC BY
87
УДК 669.14.18.296
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ СТАЛИ
© 2017 Е. В. Трусова
канд. техн. наук, доцент каф. общетехнических дисциплин e-mail: ev. trusovaa,yandex.ru
Курский государственный университет
В работе рассмотрен процесс термоциклирования при цементации стали. Показаны особенности насыщения диффузионных слоёв углеродом и азотом при химико-термической обработке стали и изменение скорости насыщения стали углеродом при различных неизотермических режимах.
Ключевые слова: прочность стали, нитроцементация
Цементация широко применяется в машиностроении для поверхностного упрочнения стальных деталей - повышения их износостойкости, усталостной прочности и сопротивления контактным нагрузкам. Однако традиционная цементация имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является большая продолжительность процесса. Проблема интенсификации цементации, равно как и других процессов химико-термической обработки металлов, относится к наиболее важным задачам практического металловедения. Одним из методов интенсификации насыщения стали углеродом и азотом может быть метод термоцикличекской обработки, суть которого заключается в проведении насыщения не при постоянной температуре (изотермический режим), а при переменной, изменяющейся циклически (термоциклирование).
Термоциклирование при цементации стали, как показали наши исследования, приводит к заметному увеличению скорости науглероживания (см. табл.).
Режимы цементации и характеристики цементованных слоёв на стали 18ХГТ в природном газе с предварительным покрытием пастой (сажа - 80%, ВаСОз -20 %, пастообразователь - клей КМЦ)
№ режима Режим цементации Общее время насыщения, ч Глубина диффузионного слоя, мм Скорость насыщения, мм/ч Характеристика цементованного слоя
1 920°С; охлаждение с муфелем 6 0,7 0,12 Мелкие карбиды на поверхности и по границам зёрен
2 920°С, 3 часа + 800°С, 1 час; охлаждение с муфелем 4 0,8 0,20 Гомогенный твёрдый раствор с редкими включениями карбидов
3 780°С, 0,5 часа + 650°С, 0,5 часа; (3 раза) + закалка 3 0,7 0,23 Мелкие карбиды (1...2,2 мкм) по всему слою
4 960°С, 1 час + 650°С, 0,3 часа; (3 раза) + закалка 4 1,0 0,25 Карбиды среднего размера (3,5.5 мкм)
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Как видно из представленных в таблице экспериментальных результатов, скорость насыщения стали углеродом на всех неизотермических режимах выше в 1,7...2,1 раза, причём особенно высокая скорость насыщения наблюдается при термоциклировании с изменением температуры в интервале выше т. А3 и ниже т. А1 в системе Бе -С (режим № 4 в табл.).
Обработка стали в газовой атмосфере по неизотермическим режимам (с использованием термоциклирования) позволяет поднять её углеродный потенциал без опасности сажеобразования на насыщаемых поверхностях и получить на стали диффузионные слои с заэвтектоидной концентрацией углерода, что невозможно получить при стационарных режимах насыщения.
В сталях, легированных карбидообразующими элементами (20Х, 18ХГТ, 25ХГМ), газовая цементация в эндотермической атмосфере с добавкой 3%СН4, проводимая по режимам термоциклирования, даёт возможность получить структуру диффузионного слоя с избыточными карбидами в форме мелких округлых включений, равномерно распределённых в металлической матрице.
При циклической цементации в интервале выше т. А1 в первом цикле выделение карбидов происходит в форме сетки или пластин переменной толщины. Нагрев в следующем цикле приводит к растворению карбидов в тонких участках. При охлаждении избыточный углерод выделяется на подложке из нерастворившихся утолщённых участков карбидной сетки, при этом карбидные включения увеличиваются и приобретают округлую форму. Чем большее количество циклов обработки стали, тем более равноосными получаются карбидные включения и тем более толщина карбидосодержащего слоя.
Нитроцементация с термоциклированием производится в эндогазе с добавками метана и аммиака и позволяет на 50.. ,80°С снизить температуру насыщения и получать такие же слои, как при цементации. Поэтому обеспечивается мелкозернистое строение диффузионного слоя и сердцевины нитроцементуемых сталей, что делает возможным и рациональным закалку таких сталей непосредственно с температуры нитроцементации (без повторного нагрева).
Исследование процесса химико-термической обработки с использованием термоциклирования показало, что при терморегулировании в интервале от 900 до 750°С (и ниже), со скоростью нагрева 30...80°С/мин и с такой же скоростью охлаждения, при продолжительности каждого цикла до 2-х часов не происходит роста зерна ни в диффузионном слое, ни в сердцевине цементуемых сталей. Это относится как к простым углеродистым сталям, так и к сталям, легированным марганцем и никелем, которые при стационарных режимах склонны к росту аустенитного зерна. Поэтому термоциклическая обработка позволяет совместить цементацию (или нитроцементацию) деталей из любых сталей с нагревом под закалку, что делает такую обработку весьма экономичной, так как позволяет сократить время обработки деталей и расход энергии на их нагрев.
Таким образом, совмещение химико-термической обработки стали с термоциклированием позволяет сократить время обработки, получить большее насыщение диффузионных слоёв углеродом и азотом по сравнению с изотермическими процессами, а также производить закалку цементованных изделий непосредственно с цементационного нагрева.
Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 1 (13)
Трусова Е. В. Особенности процесса химико-термической обработки
с использованием термоциклирования стали
Библиографический список
Костин Н.А. Трусова Е.В., Колмыков В.И. Особенности процесса науглероживания инструментальных сталей для повышения стойкости штампового инструмента // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 1. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/009-009.pdf (дата обращения: 12.02.2017).
Способ нитроцементации деталей из конструкционных и инструментальных сталей: Патент № 2600612 от 27.10.2016. Заявитель: ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет», Авторы: Н.А. Костин, В.И. Колмыков, Е.В. Трусова, Н.В. Ермакова
Трусова Е.В. Разработка насыщающей среды для упрочнения штампового инструмента при различных температурных режимах // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2016. № 4. URL: auditorium.kursksu.ru/pdf/012-006.pdf (дата обращения: 12.02.2017).
