§ 62. ДИФФУЗИОННОЕ НАСЫЩЕНИЕ НЕМЕТАЛЛАМИ

Поверхностное насыщение стали углеродом и азотом или совместно этими элементами - наиболее широко используемые процессы химико-термической обработки.

Углерод и азот растворяются в железе по способу внедрения и поэтому могут быстро диффундировать на значительную глубину. Активные среды, содержащие эти элементы, дешевы, а фазы, образующиеся с участием углерода и азота в процессе насыщения или при последующей термообработке, резко изменяют механические и физико-химические свойства стали.

Науглероживание [цементация)

Цементации подвергают изделия из сталей с низким содержанием углерода (обычно до 0,25%).

При цементсцки в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики, куда засыпают древесный уголь, смешанный с 20- 25% BaCOg. При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, находящегося в цементационном ящике между частицами карбюризатора, образует окись углерода:

2С(уголь)4-02->2СО.

В контакте с железом окнс> углерода дает атомарный углерод: 2С0СОг-f С (атомарн.).

Этот активный углерод (in statu nascendi) поглощается аустенитом л диффундирует в глубь изделия.

Добавка BaCOg сильно интенсифицирует процесс цементации, поставляя дополнительное количество окиси углерода и соответственно активного углерада:

ВаСОз -f- С (уголь) ВаО -{- 2С0

и 2СО-С02-ЬС(атомарн.),

Для газовой цементации в качестве карбюризатора используют природный газ (состоит в основном из CHJ, контролируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах, а также жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.), каплями подаваемые в герметичное рабочее пространство печи, где они образуют активную газовую фазу.

Основной поставщик углерода в газообразных карбюризаторах - метан:

СН4-.2Н2 + С.

В искусственно полученной контролируемой атмосфере таким поставщиком является окись углерода.

В зависимости от состава газовой смеси и состава стали атмосфера в печи может быть науглероживающей, обезуглерожи-

вающей и нейтральной. В последнем случае концентрация углерода в стали является равновесной для данного состава газовой смеси, и такую концентрацию (а более строго - соответствующую термодинамическую активность углерода) называют углеродным потенциалом данной атмосферы. Если концентрация углерода в стали ниже той, которая соответствует равновесию с атмосферой, то будет происходить науглероживание.

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 0,5-2,0 мм.

Цементацию проводят при 910-930° С, а иногда для ускорения - при 1000-1050° С. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0- 1,3 мм получают при 920° С за 15 ч, а при 1000° С - за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный перегрев (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 FcgC 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 (см. рис. 194).

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.

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 (см. рис. 131).

Первую закалку проводят с нагревом до 850-900° С (выше точки Лз 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. Поэто.му применяют вторую закалку с температуры 760-780° 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 температуры 840-860° С. После закалки цементованные изделия всегда нагревают до 160-180° С для уменьшения закалочных напряжений.

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 40- 50 кгс/мм, 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. Основное назначение легирования здесь - повышение прокаливаемости и соответственно механических свойств сердцевины изделий из цементуемой стали.

Азотирование

Азотирование стальных изделий проводят в аммиаке, который при нагревании диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

2КНз->2Н + 6Н.

В системе Fe-N при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы (рис. 202): а-раствор азота в железе (азотистый феррит), у-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная у-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой (ей приписывают формулу Fe4N) и промежуточная е-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1% N при комнатной температуре).

Если азотирование вести при температуре 550° С, которая ниже эвтектоидной (590° С), то вначале образуется а-раствор, затем у-фаза и, наконец, s-фаза. С удалением от поверхности при азотировании железа должно наблюдаться следующее чередование слоев: е - -у -*а.