Цементируемые стали марки

4. Сталь 65Г. Состав, свойства, область применения

Таблица 1 — Состав, свойства, область применения стали 65Г

Цементуемые и улучшаемые стали

Используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины.

Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, что позволяет получить вязкую сердцевину. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35 %).

С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации.

Цементуемые углеродистые стали 15,20,25 используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки и др.). Твердость на поверхности составляет 60…64 HRC, сердцевина остается мягкой.

Цементуемые легированные стали применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки).

Хромистые стали 15Х, 20Х используются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину h =1…1,5 мм. При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и большей прочностью в цементованном слое.

Дополнительное легирование хромистых сталей ванадием (сталь 15ХФ), способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки, оказывает положительное влияние на свойства сердцевины. Хромоникелевые стали 20ХН, 12ХН3А применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих на износ при больших нагрузках (зубчатые колеса, шлицевые валы). Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, увеличивает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя. Стали мало чувствительны к перегреву. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевых сталей и позволяет проводить закалку крупных деталей с охлаждением в масле и на воздухе.

Стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА), применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей. Эти стали являются лучшими конструкционными сталями, но дефицитность никеля ограничивает их применение.

Хромомарганцевые стали применяют вместо дорогих хромоникелевых, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость. Введение небольшого количества титана (0,06…0,12 %) уменьшает склонность стали к перегреву (стали 18ХГТ, 30ХГТ).

С целью повышения прочности применяют легирование бором (0,001…0,005 %) 20ХГР, но бор способствует росту зерна при нагреве.

Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях ( при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск.

Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости.

Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используются для изготовления небольших средненагруженных деталей. Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым.

Повышение прокаливаемости достигается микролегированием бором (35ХР). Введение в сталь ванадия значительно увеличивает вязкость (40ХФА).

Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации.

Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости. Для уменьшения чувствительности вводят молибден или вольфрам. Ванадий способствует измельчению зерна.

Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими свойствами, относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300…400 o С. из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Цементация стали

Цементация металла – это вид термической обработки металлов с использованием дополнительного химического воздействия. Атомарный углерод внедряется в поверхностный слой, тем самым его насыщая. Насыщение стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Процесс цементации

Целью цементация стали является повышение эксплуатационных характеристик детали. Они должны быть твердыми, износостойкими снаружи, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.

Для достижения данных требований требуется высокая температура, среда, выделяющая свободный углерод. Процесс цементации применим к сталям с содержанием углерода не больше двух десятых долей процента.

Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают с использованием печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При такой температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решетки стали.

Цементация деталей достаточно продолжительный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Не трудно подсчитать, что требуемый для длительной эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.

Влияние на глубину слоя продолжительности цементации

На графике наглядно показано на сколько зависит продолжительность по времени от глубины наугрероживаемого слоя и температуры нагрева.

Технологически цементация сталей производится в различных средах, которые принято называть карбюризаторами. Среди них выделяют:

• твердую среду;
• жидкую среду;
• газовую среду.

Поверхностный слой, получаемый цементацией

Стали под цементацию обычно берутся легированные или же с низким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и подобные им.

Способы цементации

Цементация получила широкое распространение при обработке зубчатых колес и других деталей, работающих при ударных нагрузках. Высокая твердость рабочих поверхностей обеспечивает продолжительный срок работы, а достаточно вязкая середина позволяет компенсировать ударные нагрузки.

Разработаны множество способов науглероживания. Чаще всего используются следующие:

• в твердой среде;
• в жидкости;
• в газе;
• в вакууме.

Как происходит процесс цементации с использованием твердой среды

В качестве твердого карбюризатора берется смесь древесного угля (береза, дуб) и соли угольной кислоты с кальцием и другими щелочными металлами. Количество древесного угля может достигать 90%. Для приготовления смеси компоненты дробятся для улучшения выхода углерода. Размер частиц не должен превышать 10 мм. Так же не должно быть микроскопических частив в виде пыли и крошек, поэтому смесь просеивается.

Цементация стали в твердой среде

Для получения готовой смеси пользуются двумя способами. Первый – соль с углем в сухом состоянии тщательно перемешивается. Второй способ – из соли получают раствор. Для этого ее разводят в воде, а после чего этим раствором обильно смачивают древесный уголь. Перед помещением в печь уголь сушат. Его влажность не должна превышать 7%. Получение карбюризатора последним способом более качественно.

Смесь насыпается в ящики. После чего в них помещают детали. Для исключения оттока газа, получаемого во время нагрева, ящики подвергаются герметизации. Плотно закрывающую крышку дополнительно замазывают шамотной глиной.

Ящики подбираются в зависимости от формы детали, их количества и объема засыпанной смеси. Обычно они бывают прямоугольными и круглыми. Материалом для изготовления ящиков может служить сталь как жаростойкая, так и низкоуглеродистая.

Технологический процесс цементации стали можно представить в следующем порядке:

• Детали, предназначенные под цементацию, закладываются в металлические ящики, при этом равномерно пересыпаются угольным составом.
• Ящики герметизируются и подаются в заранее нагретую печь.
• Первоначально производится прогрев до температурных показаний порядка 700С — 800С.
• Контроль прогреваемости производится визуально. Ящики и подовая плита имеют равномерный цвет без затемненных пятен.
• Далее температуры в печи увеличивают до требующихся 850С 950С. В данном диапазоне происходит диффузия внедрения атомов углерода.
• Длительность выдерживания деталей в печи напрямую зависит от требуемой толщины слоя.

Как происходит процесс цементации в газовой среде

Цементация стали в среде газов производится при массовом выпуске деталей. Глубина цементации не превышает 2-х мм. Используемые газы – естественные или искусственные газы, содержащие углерод. Обычно используется газ, получающийся при распаде нефтепродуктов.

Цементация стали в газовой среде

Его получают в большинстве случаев нагреванием керосина. Больше половины газа подвергают модификации, его крекируют.

Активный углерод при данном способе обработки получается при распаде, и формула имеет следующий вид:

Если пиролизный газ использовался без модифицированного, то в результате обогащенный слой металла будет недостаточным. К тому же пиролизный газ создает обильную сажу.

Печи для данного способа цементации должны быть герметичными. Обычно пользуются стационарными печами, но как вариант методическими.

Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

Подвергаемые цементации изделия помещаются в печь. Температура поднимается порядка 910С — 950С. Производится подача газа в печь. Выдержка в газовой среде определенное время.

Длительность термического воздействия составляет 15 часов при температуре в 920С с получаемым слоем 1,2 мм. Для ускорения производственного процесса температуру поднимают. Уже при 1000С получить такой же науглероженный слой возможно за 8 часов.

В последнее время широкое применение нашел способ проведения процесса в эндотермической среде. Во время активного науглероживания в газовой среде поддерживается значительный потенциал углерода за счет введения природного газа (пропана, бутана или метана). На этот период концентрация газ из нефтепродуктов устанавливается на уровне 1%.

Процесс проведения цементации в жидкой среде

Жидкая среда – это расплавленные соли. В качестве солей используются карбонаты металлов, правда, металлы должны быть щелочными с низкой температурой плавления. Температура проведения цементации при данном методе составляет 850С. Процесс происходит во время погружения деталей в ванну с расплавом и выдерживании их там.

Цементация стали в жидкой среде

Цементация в жидкой среде отличается не большим насыщенным слоем, который не превышает 0,5 мм. Соответственно времени занимает до 3 часов. Среди достоинств следует отметить: обработанные детали имеют незначительную деформацию, а также возможна закалка без промежуточного этапа.

Как происходит процесс цементации в вакууме

Недостаточное давление, создаваемое в печи, значительно сокращает время проведения обработки. Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

• При данном методе детали помещаются в холодную печь.
• После герметизации камеры нагрева в ней создается вакуум.
• Затем производят нагрев до требуемой температуры.
• Производится выдержка, которая занимает до часа по времени. За это время выравнивается температура и с поверхности нагретых деталей осыпаются загрязнения, мешающие науглероживанию.
• Затем подается в камеру углеводородный газ под давлением. За счет чего происходит активная фаза обогащения поверхностного слоя.
• На следующем этапе происходит диффузионное внедрение углерода. На этом этапе в камере опять создают вакуумическое давление.
• За короткий промежуток времени не получается требуемого науглероженного слоя, поэтому процесс повторяют до тех пор, пока не получится требуемая глубина. Обычно результат получается за три стадии.
• Охлаждение до температуры окружающей среды происходит в печи под действием инертных газов под разным давлением.

Печь для вакуумной цементации

Процесс полностью компьютеризирован. За подачей газа, температурой, давлением следит программа, отвечающая за весь технологический процесс. Среди достоинств следует отметить:

• регулирование количества углерода;
• отсутствие кислорода предотвращает образование окислов;
• газ проникает даже в отверстия минимального диаметра;
• чередование процессов происходит при равных условиях;
• полная автоматизация; сокращенные сроки.

Процесс проведения цементации пастами

При производстве разовых работ рациональнее пользоваться пастами для проведения цементации. В составе пасты находятся: сажа с пылью древесного угля. Толщина слоя наносимой пасты должна быть восьмикратно увеличена для получения требуемого насыщенного слоя.

После нанесения состав просушивается. Для процесса цементации используются индукционные высокочастотные печи. Температура проведения процесса достигает 1050С.

Как происходит процесс цементации в электролитическом растворе

Процесс во многом схож с гальваническим покрытием. В нагретый раствор электролита помещается заготовка. Подведенный ток вызывает получение активного углерода и способствует его проникновению в поверхность стальной заготовки.

Таким способом подвергают обработке детали, имеющие небольшой размер. Параметры для прохождения цементации: напряжение тока – 150-300В, температура 450-1050С.

Свойства металла после обработки

После проведения цементации твердость науглероженного слоя достигает: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры металла.

Структура стали после цементации

Для исправления крупного зерна металла детали после цементации подвергаются повторному нагреву и закалке с последующим отпуском или нормализацией.

Закалка производится при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счет получения перлита и феррита.

Вместо закалки для легированных сталей производят нормализацию. После сквозного прогрева в середине детали образуется мартенсит. Нагрев детали зависит от марки стали, из которой она была изготовлена.

Режимы термической обработки стали после цементации

В качестве заключительной фазы проводят низкотемпературный отпуск, который позволяет устранить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.

Недостатки цементации

Как было выше сказано основным недостатком после цементации остается изменение структуры металла. В связи с этим требуется дополнительная обработка, что увеличивает время и так длительного процесса цементации.

Для проведения работ требуется обученный и высококвалифицированный персонал. Среди недостатков следует выделить необходимость подготовки карбюризатора.

В заключение стоит отметить, что цементация позволяет использовать, стали с низким содержанием углерода для изготовления ответственных деталей с длительным сроком эксплуатации, что значительно снижает конечную стоимость.

Для защиты поверхностей, не предназначенных под цементацию, пользуются пастами, намеднением или закладывают увеличенные допуски под обработку.

19 Стали для цементации и нитроцементации

Стали для цементации и нитроцементации

Цементация и нитроцементация – высокоэффективные и доступные процессы, поэтому они нашли широкое применение в промышленности. Цементация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом до эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации. Цементацию поводят выше точки А₃ в аустенитной области. Температурный интервал цементации, как правило, 930–960 ºС. Имеется положительный опыт применения для некоторых легированных сталей высокотемпературной цементации при 980–1050 ºС. При этом значительно ускоряется процесс цементации вследствие увеличения коэффициента диффузии углерода, однако одновременно растет зерно аустенита и увеличивается коробление деталей. Поэтому для высокотемпературной цементации необходимо применять стали с наследственно мелким зерном или легировать сталь элементами, замедляющими рост аустенитного зерна при нагреве (Ti, V). Оптимальное содержание углерода в поверхностном слое 0,8–1,0 %, но для увеличения контактной выносливости оно может быть повышено
до 1,1–1,2 %. Глубина цементованного слоя составляет 0,6–2,5 мм в зависимости от размеров и условий эксплуатации изделий. Она влияет прежде всего на контактную выносливость и усталостную прочность. При малой толщине слоя происходит продавливание, а при большой – снижается усталостная прочность изделия. Цементацию проводят в твердом, жидком и газовом карбюризаторе. Наиболее распространена газовая цементация. Цементации (нитроцементации) подвергаются шестерни, оси, зубчатые колеса, валы, измерительный инструмент и др. После цементации наиболее существенно возрастает твердость и износостойкость поверхностных слоев изделия, контактная выносливость, усталостная прочность. При этом сердцевина изделия должна быть мягкой и пластичной, что придает необходимую конструктивную прочность. Стали, применяемые для цементации, должны обеспечить: получение требуемого уровня свойств, достаточную прокаливаемость (особенно для деталей большого сечения), хорошую обрабатываемость давлением и резанием, минимальное изменение размеров и минимальное коробление при закалке, экономичность легирования.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,08 – 0,25 % , что обеспечивает получение вязкой сердцевины. Для некоторых высоконагруженных деталей содержание углерода в стали может быть повышено до 0,35 % . С повышением содержания углерода в стали уменьшается глубина цементного слоя, увеличивается прочность и понижается вязкость сердцевины.

Легирующие элементы влияют на свойства сердцевины, прокаливаемость, скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя, концентрацию углерода в поверхностном слое, а также на структуру слоя и величину зерна. Влияние легирующих элементов на глубину слоя определяется, одной стороны, влиянием на значение коэффициента диффузии углерода в аустените, с другой стороны, на величину градиента концентрации углерода по сечению диффузионного слоя, зависящего от максимального содержания углерода в поверхностном слое.

Некарбидообразующие элементы, такие как Ni, Si, Co ускоряют диффузию углерода в аустените. В то же время, эти элементы снижают растворимость углерода в аустените и тем самым уменьшают максимальное содержание углерода в поверхностном слое. Наиболее сильно ускоряет диффузию углерода в аустените и понижает содержание углерода в цементованном слое кремний. Однако при более высоких температурах (1000, 1100 ºС) Si уменьшает коэффициент диффузии углерода в аустените.

Как правило, карбидообразующие элементы понижают коэффициент диффузии углерода в аустените. Например, в стали с 1,2 % Si и 1 % легирующего элемента при температурах, соответствующих интервалу цементации, наблюдается замедление диффузии углерода при легировании в такой последовательности: Mn, Mo, V, W, Cr. Карбидообразующие элементы повышают максимальную концентрацию углерода в поверхностном слое по сравнению с углеродистой нелегированной сталью, что связано с интенсивным карбидообразованием в поверхностном слое (рисунок 3.2.).

Глубина диффузионного слоя в значительно большей степени зависит от максимальной концентрации углерода в поверхностном слое, чем от коэффициента диффузии углерода в аустените. Поэтому легирование некарбидообразующими элементами уменьшает глубину цементованного слоя, а карбидообразующими – увеличивает ее (рисунок 3.3).

Цементуемые стали легируют комплексно карбидо– и некарбидообразующими элементами: Cr, Mn, Ni, Si и др. Cr, Mn, Si увеличивают прокаливаемость и упрочняют α–твердый раствор, т.е. повышают прочностные свойства сердцевины.

Рисунок 3.2. Распределение углерода по глубине цементованного слоя стали

1 – нелегировання сталь; 2 – сталь, легированная карбидообразующим

элементом; 3 – сталь, легированная некарбидообразующим элементом

Рисунок 3.3. Влияние легирующих элементов на глубину цементованного слоя после цементации при 925 ºС (А.П. Гуляев)

Весьма значительно повышает прокаливаемость бор, его вводят в количестве 0,001–0,005 %. Никель не только повышает прокаливаемость, но и увеличивает ударную вязкость цементованного слоя и сердцевины, а также снижает порог хладноломкости. Однако это дорогой и дефицитный элемент, поэтому его вводят в стали только для тяжелонагруженных деталей. С целью измельчения зерна вводят ванадий и титан (0,06–0,12 % V; 0,03–0,09 % Ti). Эти элементы задерживают рост зерна аустенита при нагреве и делают возможной непосредственную закалку с цементационного нагрева без перекристаллизации. Добавки молибдена до 0,3–0,5 % в хромоникелевые и хромомарганцевые стали увеличивают прокаливаемость. Введение кремния в хромоникелевые цементуемые стали позволяет повысить их ударно–усталостную выносливость посредством уменьшения глубины заэвтектоидной зоны и увеличения количества карбидов.

Для цементации используют как качественные конструкционные углеродистые стали (ГОСТ 1050–74), так и легированные (ГОСТ 4543–71). Углеродистые стали (08, 10, 15, 20 и др.) применяют лишь для малонагруженных деталей с рабочим сечением до 15–25 мм, работающих в основном на износ. Низколегированные стали марок 15Х, 20Х, 15Г, 15ХФ, 20ХМ и др. применяют для более нагруженных деталей с рабочим сечением до 35 мм. Легированные стали повышенной прочности 20ХГР, 12ХН2, 20ХНМ, 20ХГМ и др. предназначены для изготовления деталей сечением до 50–75 мм, работающих при высоких удельных нагрузках. К этой же группе относятся стали 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГНТР и др., микролегированные титаном. В этих сталях рост зерна аустенита при цементации сдерживается карбидами титана. Для тяжелонагруженных массивных деталей сечением до 100–120 мм, когда высокая поверхностная твердость должна сочетаться с высокой вязкостью сердцевины, применяют высоколегированные хромоникелевые стали типа 20ХНЗА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА. Однако вследствие дефицитности никеля стали с повышенным никелем заменяют малоникелевыми (например, стали 18ХГСН2МА и 18ХГСН2МВА используют взамен сталей 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А, а сталь 14ХГСН2МА вместо 12ХН3А и 12Х2Н4А).

Термическая обработка изделий после цементации заключается в закалке и низкотемпературном отпуске. Для деталей из мелкозернистых сталей, легированных титаном или ванадием, можно использовать непосредственную закалку с цементационного нагрева с подстуживанием при 840–860 ºС для уменьшения количества остаточного аустенита и коробления.

Детали из углеродистой или низколегированной стали, в которых наблюдается рост зерна в процессе цементации, подвергают после цементации закалке с повторного нагрева до температуры 760–800 ºС (неполной закалке). При этом измельчается зерно в цементованном слое, но феррит в сердцевине остается крупнозернистым (неперекристаллизованным). Для ответственных деталей проводят после цементации двойную закалку. При первой закалке (нормализации) с нагревом до 860–900 ºС (выше Ас₃ сердцевины) устраняется цементитная сетка и измельчается зерно в сердцевине. При второй закалке с нагревом выше Ас₁ (760–800 ºС) происходит измельчение зерна в поверхностном слое.

Высоколегированные хромоникелевые стали типа 18Х2Н4ВА после закалки сохраняют большое количество остаточного аустенита. Поэтому для них после цементации с охлаждением на воздухе или в контролируемой атмосфере применяют высокий отпуск при 640–660 ºС, 4–6 ч. При этом из остаточного аустенита выделяются карбиды и происходит их коагуляция. Тогда при нагреве до 780–800 ºС при последующей закалке в аустените растворяется небольшая часть карбидов, мартенситная точка поднимается и после закалки количество остаточного аустенита уменьшится. После закалки всегда проводится низкотемпературный отпуск при 180–200 ºС для уменьшения остаточных напряжений.

В легированных сталях после цементации и закалки кроме мартенсита и карбидов присутствует также остаточных аустенит, количество которого может быть значительным.

В небольшом количестве остаточный аустенит в цементованном слое может быть даже полезным, т.к. при этом повышается пластичность и особенно ударная выносливость, но при больших его содержаниях существенно снижается твердость стали, поэтому для высоколегированных цементуемых сталей в целях уменьшения количества остаточного аустенита проводят обработку холодом после закалки перед отпуском. После термообработки структура поверхностного слоя – отпущенный мелкоигольчатый мартенсит, вторичные карбиды и небольшое количество остаточного аустенита. В сердцевине легированных сталей микроструктура – отпущенный низкоуглеродистый мартенсит или бейнит. Твердость поверхностного слоя HRC 60–62, твердость сердцевины
HRC 30–40.

В связи с дефицитностью никеля разрабатываются безникелевые цементуемые стали типа 15ХГ2МФ, а также стали с частичной заменой никеля на марганец (типа 20ХГНМФ). Учитывая, что ванадий и титан являются дорогими элементами, их заменяют комбинацией азота и алюминия (например, 25ХГНМАЮ). В последнее время вместо никельсодержащих цементуемых сталей создаются низкоуглеродистые цементуемые марганцевые стали с метастабильным аустенитом типа 08Г(4–16)ТЮ. В этих сталях получают аустенитную структуру, армированную карбидами. В процессе деформации метастабильный аустенит превращается в мартенсит деформации, при этом достигается высокая износостойкость в условиях абразивного и ударно-абразивного воздействия. Новым направлением является также создание дисперсионно-твердеющих сталей, которые могут работать при повышенных температурах.

Часто проводят не цементацию, а нитроцементацию – одновременное насыщение поверхности изделия углеродом и азотом в газовой среде. Насыщение ведется в тех же газовых средах, что и при цементации (в эндогазе с добавкой природного газа или метана), но с добавлением небольшого количества (1–5 %) аммиака. Преимущества нитроцементации по сравнению с газовой цементацией связаны с возможностью проведения процесса насыщения при более низкой температуре (830–860 ºС), при этом скорость насыщения остается почти такой же, как и при газовой цементации при 930 ºС. Это объясняется возрастанием скорости диффузии углерода в присутствии азота. Снижение температуры насыщения позволяет сохранить в стали мелкое зерно аустенита и проводить непосредственную закалку (с температуры насыщения или с подстуживанием до 800–820 ºС), что уменьшает деформацию деталей при закалке. Использование более низких температур нагрева при нитроцементации повышает также срок службы печного оборудования. Кроме того, при нитроцементации за счет образования в диффузионном слое дисперсных карбонитридов повышается износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость стали; равнозначная с цементованными деталями прочность достигается при меньших толщинах слоев. За счет легирования твердого раствора азотом снижается критическая скорость закалки, что создает условия для применения ступенчатой закалки. Ступенчатую закалку проводят в горячем масле с температурой 120–180 ºС. Ступенчатая закалка уменьшает деформацию и стабилизирует размеры деталей за счет снижения температурных напряжений. После закалки проводят низкотемпературный отпуск. Толщина слоя при нитроцементации составляет 0,2–0,8 мм. При толщине слоя свыше 1 мм в диффузионном слое появляются дефекты структуры, которые резко снижают прочность деталей. Для нитроцементации применяются те же стали, что и для цементации, но с более высоким содержанием углерода (25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ и т.п.) для увеличения прочности сердцевины. Последнее исключает продавливание тонкого диффузионного слоя. Структура поверхностного слоя должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита с отдельными дисперсными частицами карбонитридов, азотистого цементита, карбидов и нитридов легирующих элементов и значительного количества остаточного аустенита.

Азот снижает температуру мартенситного превращения (каждые 0,1 % азота снижают ее на 18,5 ºС), поэтому в нитроцементованном слое легированных сталей может содержаться до 40–45 % остаточного аустенита, но при этом обеспечивается высокая усталостная прочность и контактная выносливость. Однако остаточный аустенит снижает поверхностную твердость деталей и их износостойкость.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое цементация и нитроцементация?

2. Какие требования предъявляются к сталям для цементации и нитроцементации?

3. Какова роль легирующих элементов в этих сталях?

4. Какое влияние оказывают легирующие элементы на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне?

5. Какие марки сталей применяются для цементации и нитроцементации?

6. Какова термическая обработка сталей после цементации и нитроцементации?

7. В чем преимущества нитроцементации перед цементацией?

8. Каковы современные направления в создании цементуемых сталей?

1. Гольдштейн М.И. Специальные стали /М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. – М.: МИСИС. – 1999. – 408 с.

2. Ляхович Л.С. Специальные стали: Учеб. пособие для вузов / Л.С. Ляхович. – Минск: Высш. шк., 1985. – 208 с.

3. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Справочник / Г.В. Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г. Ворошнин и др. – Москва: Металлургия, 1981. – 424 с.

4. Влияние термообработки на фазовый состав, структуру и свойства цементуемых низкоуглеродистых марганцевых сталей / Л.С. Малинов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2000. – № 3. – С.40–48.

Область применения цементуемых сталей

Рассмотрение наиболее распространенных низкоуглеродистых сталей, применяемых для изготовления цементуемых деталей. Требования к цементуемым сталям, область применения, марки и способы их упрочнения. Состав, технологические свойства и применение стали 65Г.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Федеральное агентство по образованию

МУРОМСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

1. Цементуемые стали