Технология цементация стали: особенности технологии и марки стали для цементации

особенности технологии и марки стали для цементации

Цементация (науглероживание) – разновидность химико-термической обработки стали, целью которой является насыщение поверхностного слоя углеродом при повышенных температурах в карбюризаторе. Для достижения требуемых свойств готового продукта после процесса цементации проводят закалку с низким отпуском. Назначение этого вида ХТО – получение твердого, износостойкого поверхностного слоя.

Стали под цементацию

Этот вид химико-термической обработки применяют для:

• низкоуглеродистых сталей с содержанием C 0,1-0,18%;
• низкоуглеродистых легированных сталей;
• среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,2-0,3%, если из них изготовлены крупногабаритные детали (сердцевина сохраняет высокую вязкость, а поверхность приобретает твердость).

Технология цементации стали

На ХТО деталь поступает после механической обработки. Часто требуется упрочнить не всю поверхность заготовки, а часть. В этом случае на участки, которые не нуждаются в упрочнении, электролитическим способом наносят тонкий слой меди или защищают их обмазками. Для изготовления обмазок используют огнеупорную глину, асбест, песок, жидкое стекло. Существует несколько видов цементации стали.

С использованием твердого карбюризатора

В этом случае источником атомарного углерода является древесный уголь и активизаторы – кальцинированная сода и углекислый барий. Подготовленные детали укладывают в сварные стальные или литые чугунные ящики. В ящик, который может быть круглым или прямоугольным, укладывают древесный угль слоем толщиной 2-3 см, затем первый ряд заготовок с отступом между ними и стенками емкости. Так повторяется столько раз, сколько предусмотрено технологией. Слой карбюризатора между рядами заготовок – 1-1,5 см. Верхним является слой карбюризатора толщиной 3,5-4,0 см. Емкость закрывают крышкой, все зазоры замазывают огнеупорной глиной или глиной с песком.

Цементация осуществляется в печи при температурах +910…+930°C. Время нахождения деталей в печи рассчитывается следующим образом: 7-9 минут на каждый сантиметр наименьшего размера емкости. О качественном прогреве можно судить по состоянию подины печи. Если на ней отсутствуют темные пятна в местах соприкосновения с тарой, то нагрев можно заканчивать. После печи ящик в закрытом виде охлаждают на воздухе до +400…+500°C, а затем его открывают.

Газовая цементация

Этот процесс отличается более высокой производительностью, по сравнению с вышеописанным, поэтому такая технология востребована на промышленных предприятиях при массовом производстве.

Преимущества газовой ХТО:

• возможность контроля концентрации углерода в поверхностном слое;
• сокращение длительности обработки из-за отсутствия необходимости в прогреве емкости;
• возможность полной автоматизации;
• значительное упрощение финишной термообработки, так как закалку производят прямо из цементационной печи.

Оптимальные характеристики – твердость и износостойкость – обеспечивает цементация в природном газе, состоящем из метана, пропанбутановых смесей, жидких углеводородов. Процесс проходит при температурах +910…+930°C в печах шахтного типа, время обработки обычно составляет 6-12 часов.

Науглероживание также может производиться в растворах электролитов, кипящем слое, пастообразных составах.

Цементация металла – виды цементации стали и нюансы процесса

1. Сущность процесса цементации
2. Проведение цементации стали в твердой среде
3. Цементация деталей в газовой среде
4. В каких еще средах может проводиться цементация стали

Цементация, осуществляемая в различных средах и исключительно под воздействием высоких температур, является очень распространенным методом химико-термической обработки металла, успешно применяемым уже не один десяток лет.

Подготовка деталей для цементации

Сущность процесса цементации

Смысл любых методов химико-термической обработки металлов, к числу которых относится и цементация стали, заключается в том, что изделие нагревают до высокой температуры в специальной среде (жидкой, твердой или газообразной).

Такое воздействие приводит к тому, что меняется химический состав металла – поверхность обрабатываемого изделия насыщается углеродом, в итоге становится более твердой и износостойкой. Что важно, сердцевина обработанных деталей остается вязкой.

Добиться желаемого эффекта после такого воздействия на металл можно лишь в том случае, если обработке подвергают низкоуглеродистые стали, в составе которых углерода содержится не более 0,2%. Для того чтобы выполнить цементацию, изделие нагревают до температуры 850–950 градусов Цельсия, а состав среды подбирают таким образом, чтобы она при нагреве выделяла активный углерод.

Если цементацию стали проводить квалифицированно, можно не только изменить химический состав металлического изделия, но также преобразовать его микроструктуру и даже фазовый состав. В результате удается значительно упрочнить поверхностный слой детали, придать ему характеристики, сходные со свойствами закаленной стали. Для того чтобы добиться таких результатов, необходимо правильно подобрать параметры химико-термической обработки металла – температуру нагрева и время выдержки обрабатываемого изделия в специальной среде.

Оборудование для вакуумной цементации стали

Данная технологическая операция является достаточно продолжительной по времени, так как процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом проходит очень медленно (0,1 мм за 60 минут). Учитывая тот факт, что упрочненный поверхностный слой для большинства изделий должен составлять не менее 0,8 мм, можно рассчитать, что на выполнение цементации металла необходимо будет затратить не менее 8 часов. Основными типами сред для выполнения цементации металла (или, как их правильно называют, карбюризаторами) являются:

• газообразные среды;
• растворы электролитов;
• пастообразные среды;
• кипящий слой;
• твердые среды.

Наиболее распространенными являются газообразные и твердые карбюризаторы.

Зависимость толщины цементованного слоя от времени и температуры обработки

Проведение цементации стали в твердой среде

Чаще всего для выполнения цементации металла в твердой среде используется смесь, состоящая из углекислого натрия, бария или кальция и березового или дубового древесного угля (70–90%). Перед этим все компоненты такой смеси измельчаются до фракции 3–10 мм и просеиваются, что необходимо для удаления слишком мелких частиц и пыли.

После того, как компоненты смеси для химико-термической обработки металла подготовлены, их можно смешать несколькими способами.

• Компоненты смеси (соль и уголь) тщательно перемешиваются в сухом состоянии. Если пренебречь этим требованием, то после окончания процесса цементации на поверхности изделия могут образоваться пятна.
• Соль растворяют в воде и полученным раствором поливают древесный уголь, после чего его просушивают до достижения влажности не более 7%.

Следует отметить, что второй способ предпочтительнее, так как позволяет получить смесь с более равномерным составом.

Древесноугольный карбюризатор

Как в производственных, так и в домашних условиях цементация изделий из стали выполняется в ящиках, в которые засыпан карбюризатор. Чтобы улучшить качество поверхностного слоя обрабатываемого металла, а также сократить время, идущее на прогрев ящиков, лучше всего изготавливать их максимально приближенными к размерам и формам деталей.

Оптимальные условия для протекания цементации стали можно создать, исключив утечку газов, образующихся в карбюризаторе в процессе нагрева. Для этого ящики, у которых должны быть плотно закрывающиеся крышки, тщательно обмазывают огнеупорной глиной перед помещением в печь.

Естественно, использовать специально изготовленные ящики целесообразно лишь в промышленных условиях. Для цементации металла в домашних условиях применяют ящики стандартных размеров и формы (квадратные, прямоугольные, круглые), подбирая их в зависимости от количества обрабатываемых деталей и внутренних размеров печи.

Оптимальным материалом для таких ящиков является жаростойкая сталь, но может быть использована и тара из малоуглеродистых сплавов. Технологический процесс цементации изделий из металла выглядит следующим образом.

Наглядное изображение изменения структуры после цементации

• Подготовленные для обработки детали укладывают в ящики, пересыпая слоями карбюризатора.
• Наполненные ящики, обмазанные огнеупорной глиной, помещают в предварительно прогретую печь.
• Выполняют так называемый сквозной прогрев ящиков с деталями, при котором они нагреваются до температуры 700–800 градусов Цельсия. О том, что ящики хорошо прогрелись, судят по цвету подовой плиты: на ней не должно быть темных пятен в местах соприкосновения с тарой.
• Температуру в печи поднимают до 900–950 градусов Цельсия. Именно при таких значениях проводят цементацию стали.

Высокая температура и специальная среда, в которой находится металл, способствуют тому, что происходит диффузия атомов активного углерода в кристаллическую решетку стали. Следует отметить, что выполнение цементации стали возможно в домашних условиях, но часто не позволяет добиться желаемого эффекта. Объясняется это тем, что для процесса цементации необходима длительная выдержка детали при высокой температуре. Как правило, это трудно обеспечить в домашних условиях.

Цементация деталей в газовой среде

Авторами данной технологии являются С. Ильинский, Н. Минкевич и В. Просвирин, которые под руководством П. Аносова впервые использовали ее на комбинате в г. Златоусте. Суть данной технологии заключается в том, что обрабатываемые детали из металла нагреваются в среде углеродосодержащих газов, которые могут быть искусственного или природного происхождения. Чаще всего используется газ, который образуется при разложении продуктов нефтепереработки. Такой газ получают следующим способом:

• нагревают стальную емкость и подают в нее керосин, который при испарении разлагается на смесь газов;
• состав некоторой части (60%) полученного газа модифицируют (крекирование).

Полученная смесь и используется для выполнения химико-термической обработки стали.

Процесс цементации стали

Если цементацию стали провести с применением только пиролизного газа, без добавления крекированного, то глубина науглероженного слоя будет недостаточной. Кроме того, в таком случае на поверхности обрабатываемой детали осядет большой слой сажи, на удаление которого может уйти много времени и сил.

Печи, которые используются для выполнения газовой цементации металла, должны герметично закрываться. На современных производственных предприятиях применяют два основных типа таких печей: методические и стационарные. Сам процесс цементации в газовой среде выглядит следующим образом. Обрабатываемые детали помещают в печь, температуру в которой доводят до 950 градусов Цельсия. В нагретую печь подают газ и выдерживают в нем детали определенное время.

По сравнению с цементацией стали с использованием твердого карбюризатора, данная технология имеет ряд весомых преимуществ:

• обеспечение лучших условий для обслуживающего персонала;
• высокая скорость достижения требуемого эффекта за счет того, что детали в газовой среде могут выдерживаться меньшее количество времени (к тому же не требуется время для приготовления твердого карбюризатора).

Цементация стали в домашних условиях

В каких еще средах может проводиться цементация стали

Отдельные сорта углеродистых, низкоуглеродистых и легированных сталей, в частности 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А и др., могут проходить цементацию в других средах.

Электролитический раствор

В такой среде можно науглероживать только детали, отличающиеся небольшими размерами. Основывается данный метод на анодном эффекте, благодаря которому и происходит насыщение поверхности металла углеродом, содержащимся в растворе электролита. Для того чтобы раствор содержал достаточное количество активного углерода, в него добавляют глицерин, ацетон, сахарозу и другие вещества. Перед тем, как поместить деталь из стали в раствор, его нагревают до температуры 450–1050 градусов Цельсия (в зависимости от обрабатываемого металла и размеров детали). Для разогрева раствора используют электрический ток с напряжением 150–300 В.

Кипящий слой

Цементацию стали по данной технологии проводят в среде раскаленного газового потока, формируемого при прохождении метана и эндогаза через слой нагретого мелкоизмельченного (0,05–0,2 мм) корунда.

Пастообразные составы

Для науглероживания поверхности металла по данной технологии используются специальные пасты, состоящие из желтой соли, древесной пыли и сажи. Перед обработкой деталь обмазывают такой пастой и просушивают, а только затем нагревают до температуры 910–1050 градусов Цельсия при помощи токов высокой частоты.

По какой бы технологии ни была выполнена цементация стали, после ее окончания рекомендуется провести отпуск металла.

Улучшенные характеристики стали при вакуумной цементации зубчатых колес

Многие ссылки охватывают историю и развитие науглероживания при низком давлении, в просторечии известного как вакуумное науглероживание, поэтому мы начнем обсуждение с мотивов производителей зубчатых колес, выбравших этот процесс [1, 2]. Обычно упоминаемые преимущества вакуумного науглероживания включают устранение межкристаллитного окисления (IGO) для увеличения усталостной долговечности, минимизацию/увеличение постоянства отклика на деформацию, устранение закалки в масле, энергоэффективные печи, лучшую гибкость закалки газом и сокращение времени науглероживания благодаря возможности высокотемпературной печи. Из этого длинного списка потенциальных преимуществ мы обсудим три ключевые области: высокотемпературное науглероживание, усталостные характеристики (устранение IGO) и реакцию на закалку газом под высоким давлением (HPGQ). Понимание того, как оптимизировать каждое из этих условий во время вакуумной цементации, может повлиять на правильный дизайн сплава и методологию термообработки.

Сопротивление укрупнению зерна

Вакуумные печи науглероживания способны работать при более высоких температурах науглероживания, чем традиционные газовые печи науглероживания. Существует экспоненциальная зависимость между температурой науглероживания и глубиной слоя, показанная на рисунке 1, что позволяет сократить время цикла. На рис. 1 показано, что при эквивалентной глубине цементации можно добиться сокращения времени науглероживания на 43 или 55 процентов за счет повышения температуры науглероживания на 50°C или 70°C соответственно. Однако большинство сталей и схем обработки не способны поддерживать мелкий размер зерна при повышенных температурах науглероживания.

Рисунок 1: График зависимости времени науглероживания (часы) от глубины слоя (мм) для трех различных температур науглероживания. Стрелки указывают на то, что при эквивалентной глубине цементации можно значительно сократить время науглероживания, увеличив температуру науглероживания.

Мелкий размер зерна необходим для обеспечения оптимальной работы детали после науглероживания. Состав стали и предварительная обработка могут быть использованы для повышения температуры, при которой начинается укрупнение аустенитного зерна. Чем выше эта температура, тем выше температура науглероживания, которую можно использовать, таким образом, получая повышенную выгоду от сокращения времени цикла науглероживания. На рис. 2 показаны модификации состава и обработки традиционной стали 5120, которые могут повысить температуру укрупнения зерна с 9°С.от 80°C до более 1050°C.

Рис. 2: График, иллюстрирующий взаимосвязь между составом стали и технологическими параметрами при максимальной температуре мелкозернистого науглероживания для серии модифицированных сталей 5120.

Повышение усталостной прочности

Испытание на усталостную прочность является основным измерением производительности для науглероженных применений. Достижение характеристик корпуса и сердечника имеет первостепенное значение для развития необходимых усталостных свойств детали.

Вакуумная цементация приводит к устранению межкристаллитного окисления и других связанных с ним приповерхностных эффектов, преобладающих при газовой цементации. Четырехточечное испытание на усталость при изгибе использовалось для имитации усталости при изгибе корня зубчатого колеса с использованием испытательного образца с надрезом [3, 4]. Эти результаты усталостной прочности можно использовать для сравнения различных марок и условий процесса. На рис. 3 показано улучшение усталостной долговечности при удалении или предотвращении IGO.

Рис. 3: График усталостного биения при четырехточечном изгибе с максимальным напряжением, достигнутый для различных марок стали и условий обработки. Результаты показывают увеличение предела выносливости на 250-300 МПа при удалении или предотвращении IGO [3,4].

Средняя пара условий показывает увеличение напряжения биения на 283 МПа для одинаково термообработанного сплава 8620 до и после механического удаления IGO, полученного при традиционной газовой цементации. Левая и правая пары сторон показывают сравнение напряжения биения в условиях газовой и вакуумной цементации для 5120 и 8620 соответственно. Эти две пары показывают одинаковое увеличение напряжения биения (239МПа для 5120, 311 МПа для 8620) объясняется, прежде всего, предотвращением образования МГО при вакуумной цементации.

Прочный HPGQ Response

Некоторые из первых, кто внедрил вакуумную цементацию и HPGQ, вскоре обнаружили, что марки, традиционно используемые в их процессе газовой цементации, не обладают достаточной прокаливаемостью, чтобы соответствовать свойствам при менее жесткой газовой закалке. По этой причине многие существующие и предлагаемые новые марки стали были проанализированы на предмет их способности давать надежные результаты твердости сердцевины в процессе HPGQ. Спланированный эксперимент, в котором варьировались состав (5120Mod и три экспериментальных сорта), размер образца (цилиндры диаметром 0,75 дюйма, 1,5 дюйма), давление HPGQ (азот 10, 15 бар) и расположение с загрузкой печи (верхний, средний, внизу) показал возможность связать стандартные данные Джомини с ожидаемой твердостью сердцевины с учетом скорости охлаждения, производимой на сердцевине зубчатого колеса [5]. На рис. 4 показаны результаты этого исследования, где скорость охлаждения (рассчитанная на основе измеренных температурных данных от встроенных термопар) в зависимости от твердости непосредственно рядом со встроенной термопарой.

Рисунок 4: График зависимости скорости охлаждения (°C/с) от твердости (HRC) для различных условий HPGQ. Точки на графике — это измеренная твердость вблизи встроенных термопар, а сплошные линии — данные кривой Джомини, построенные в зависимости от скорости охлаждения для каждого J-положения [5].

Точки на графике представляют собой измеренные данные, а сплошные линии представляют собой связанные данные Джомини для каждого сорта, построенные в зависимости от скорости охлаждения, а не положения Джомини. Наблюдается достаточно хорошее совпадение между экспериментально измеренными данными и стандартными результатами Джомини. Наклон наборов данных можно интерпретировать как измерение устойчивости по отношению к известной вариации условий обработки HPGQ. Более устойчивая реакция на закалку (более низкий наклон) позволила бы диапазону скоростей охлаждения постоянно удовлетворять требованиям основных свойств.

Выводы

Вакуумная цементация – это технология, которая получает широкое признание в промышленности Европы и Северной Америки. Благодаря выбору, разработке и испытаниям марки стали можно значительно повысить ценность применения вакуумной цементации. На сегодняшний день доступные стали обеспечивают постоянную прокаливаемость для каждого применения, надежную реакцию материала на различные скорости закалки, стойкость к высокотемпературному укрупнению зерна и экономичную конструкцию из обедненного сплава. Все эти аспекты могут помочь специалистам по термообработке зубчатых колес добиться множества возможностей снижения затрат и повышения производительности, доступных благодаря технологии вакуумной науглероживающей термообработки.

Ссылки

1. Д. Херринг, «Технология вакуумного науглероживания зубчатых колес силовых агрегатов», презентация, сделанная в Порт-Гуроне, штат Мичиган, США, 27 июля 2006 г., что при эквивалентной глубине гильзы можно добиться значительного снижения науглероживания. время за счет повышения температуры цементации.
2. Б. Эденхофер, «Обзор достижений в области атмосферной и вакуумной термообработки», Термическая обработка. Мет., Vol. 1, 1999, стр. 1-5.
3. З.Э. Даулинг-младший, У.Т. Донлон, У.Б. Коппл, Р.А. Черненков, С.В. Дарраг, Усталостное поведение науглероженных зубчатых сталей при изгибе: разработка и оценка испытаний на четырехточечный изгиб, SAE International, Уоррендейл, Пенсильвания, Серия технических документов SAE № 960977, Международный конгресс и выставка SAE, Детройт, Мичиган, 26–29 февраля 1996 г.
4. ИП Андерсон, М.Е. Бернетт, «Высокоэффективная вакуумная науглероживание стали», презентация на конференции по материаловедению и технологиям 2011, Колумбус, Огайо, США, 16–20 октября 2011 г.
5. ИП Андерсон, М.Е. Бернетт, «Последние усилия по разработке стали для вакуумной цементации», презентация на симпозиуме ALD по вакуумной цементации, Дирборн, Мичиган, 6-7 мая 2014 г.

Предыдущая статьяБыстрая и гибкая нарезка конических зубчатых колес

Следующая статьяThe Zen of Gear Design

Патрик Андерсон

— менеджер группы расширенного моделирования в корпорации TimkenSteel. С 2006 года он работал над проектами, связанными с разработкой сплавов и передовым компьютерным моделированием металлургических процессов. Узнайте больше на www.timkensteel.com.

Майк Бернетт

— технолог TimkenSteel, проработавший в компании более 30 лет. Он получил степень бакалавра в области металлургии в Университете Пердью и степень магистра в области металлургии в Школе горного дела Колорадо.

Свойства обшивок, обработанных высокотемпературной вакуумной цементацией

Влияние азота на ограничение роста аустенитных зерен при вакуумной цементации и на механические свойства (усталостную прочность, ударопрочность) слоев, подвергшихся такой обработке, в сравнении с традиционными методами цементации.

Науглероживание продолжает оставаться одним из основных термохимических методов обработки, используемых для промышленной стали. С развитием промышленности науглероживание эволюционировало от простейших форм, таких как обработка пакетом, до передовых вакуумных технологий.

В настоящее время технология вакуумной цементации заменяет старые технологии и находит все более широкое применение, особенно в автомобильной промышленности. Совсем недавно он был применен в аэрокосмической промышленности. Это связано с рядом преимуществ, которые предлагает технология. К ним относятся: возможность сократить время науглероживания за счет повышения температуры процесса; возможность использовать значительно более высокие углеродные потенциалы для атмосферы; устранение внутреннего окисления; очистить поверхность шихты после процесса; и снижение экологически вредных выбросов [1,2,3,4].

Важным этапом развития данной технологии является экспертная система FineCarb для проектирования вакуумно-науглероженных слоев, позволяющая подбирать оптимальные параметры процесса в зависимости от требуемого распределения твердости на поверхности обрабатываемых деталей. Система позволяет получать оптимальный состав многокомпонентной науглероживающей смеси, регулировать интенсивность газового потока в зависимости от стадии процесса и поверхности обрабатываемой шихты, а также осуществлять непрерывный контроль технологических параметров на основе сигналов от системы контроля выхлопных газов. FineCarb был разработан в Институте материаловедения Лодзинского технического университета в сотрудничестве с Seco/Warwick S. A. и поддерживает вакуумные печи науглероживания производства этой компании [5,6].

Следующим этапом развития технологических возможностей системы FineCarb стало создание технологии науглероживания с предварительным азотированием PreNit LPC. Исследования, проведенные в Техническом университете Лодзи, позволили разработать основы технологии и подготовить ее к промышленному внедрению. Эта обработка включает введение аммиака на начальной стадии процесса: на стадии нагрева для науглероживания. Из-за этого в полученных слоях, науглероженных при более высоких температурах процесса, чем обычно, не наблюдается роста зерен. Благодаря этому температура процесса может достигать 1050°С [7,8].

Введение азота на стадии нагрева шихты приводит к выделению нитридов и/или карбонитридов, которые образуют зародыши аустенитных зерен и блокируют их рост на стадии науглероживания. Это приводит к уменьшению размеров зерен по сравнению с технологией газового науглероживания, а также с вакуумным науглероживанием, что позволяет интенсифицировать процесс за счет повышения температуры обработки без потери прочностных свойств.

Экспериментальная

Образцы стали 16MnCr5 науглероживают тремя способами: эндотермическим газовым науглероживанием, вакуумным науглероживанием и вакуумным науглероживанием с предварительным азотированием на стадии нагрева шихты.

Технологическая атмосфера для эндотермического газового науглероживания была получена из природного газа, а атмосфера для вакуумного науглероживания представляла собой смесь углеводородов: ацетилена и этилена (в соотношении 1:1), разбавленную водородом. При вакуумном науглероживании с предварительным азотированием азот получали при разложении аммиака, подаваемого на стадии нагрева шихты в интервале температур от 400°С до 700°С при давлении 26 гПа. Давление при вакуумной цементации составляло 3–8 гПа (колебания давления). Науглероживание проводилось при различных температурах. Толщина слоя в каждом случае составляла 0,6 мм (при критерии слоя 0,4% углерода) и концентрация углерода на поверхности 0,75% углерода. Процессы были разработаны с использованием экспертной системы FineCarb. Подробные параметры процесса представлены в таблице 1.

Таблица 1: Условия процесса науглероживания.

Сокращение времени науглероживания

С экономической точки зрения наиболее эффективным методом науглероживания является ограничение времени процесса до минимума, особенно когда целью является получение более толстых слоев. Эта цель может быть достигнута при значительном повышении температуры процесса, что, естественно, может привести к росту аустенитных зерен. Эту опасность можно предотвратить путем модификации метода вакуумного науглероживания путем подачи аммиака на стадии нагрева шихты, что приведет к выделению азотсодержащих мелкодисперсных интерметаллидных фаз, эффективно препятствующих росту аустенитных зерен при науглероживании.

При сравнении науглероживания по времени, необходимому для получения слоев одинаковой толщины (табл. 2), можно установить, что, как и ожидалось, общее время науглероживания наименьшее при самой высокой температуре. А именно, при 1000°С слой толщиной 0,6 мм (с критерием содержания углерода 0,4%) можно получить уже через 54 минуты. Это представляет собой сокращение времени процесса на целых 68% по сравнению с эндотермическим науглероживанием, проводимым при 920°С, и на 60% по сравнению с вакуумным науглероживанием при той же температуре (рис. 1).

Таблица 2: Время процессов, полученное для различных условий науглероживания. Рисунок 1: Сравнение общего времени процессов для различных типов обработки.

Оценка размера зерна

Для оценки влияния температуры процесса на размер аустенитных зерен и влияния аммиака был измерен размер бывших аустенитных зерен (в соответствии со стандартом ISO 643:2003). Средний диаметр зерна измеряли как в поверхностном слое, так и в сердцевине обработанной стали. Результаты представлены на рис. 2 и рис. 3. При сравнении диаметров отдельных зерен в керне между различными процессами можно сделать вывод, что, как и в теоретических предположениях, чем выше температура процесса, тем крупнее зерна в керне. Проводя такое же сравнение для науглероженных слоев, можно сделать вывод, что размер аустенитных зерен, образующихся при вакуумном науглероживании, а также при эндотермическом науглероживании при 920°С — такая же, как при вакуумной цементации при 1000°С с предварительным азотированием.

Рисунок 2: Сравнение размера зерна поверхностного слоя стали 16ГХ5 при различных видах обработки. Рисунок 3: Сравнение размера зерна сердцевины стали 16ГХ5 при разных видах обработки.

Исследования показали, что азот действительно ограничивает размер аустенитного зерна. Следовательно, есть возможность повысить температуру процесса и тем самым увеличить скорость диффузии углерода при условии, что механические и функциональные свойства, особенно усталостная прочность, не будут снижаться.

Испытание на усталостную прочность

Для оценки прочностных свойств элементов, обработанных вышеуказанными методами науглероживания, было проведено испытание на усталостную прочность высокочастотным методом.

Это испытание проводилось с использованием резонанса, а точка разрушения испытуемого образца определялась как изменение частоты вибрации. Этот метод включал измерение текущей собственной частоты испытуемого образца и использование этой частоты с соответствующей синусоидальной амплитудой. Принудительную амплитуду регулируют для получения желаемого напряжения в узком месте образца. Значение напряжения определяется на основе кривой прогиба. Образец для испытаний на усталость был подготовлен в соответствии со стандартом ASTM E 606-04 и методом МКЭ, чтобы получить оптимальное распределение напряжения в узком месте. Испытания проводились на испытательной станции, оснащенной вибровозбудителем Tira TV50101 и управляющим усилителем VibrationVIEW. На основе этих испытаний были определены кривые Вёлера в терминах предела усталости и предела выносливости. Результаты представлены на рис. 4. Сравнивая усталостную прочность стали 16МнХ5, науглероженной разными способами, можно сделать вывод, что при вакуумном науглероживании с предварительным азотированием потери усталостной прочности не происходит; наоборот, повышает усталостную прочность испытуемой стали.

Рисунок 4: Кривые Велера в ограниченном и неограниченном диапазоне усталостной прочности для различных видов обработки.

Испытание на контактную прочность

Испытание на контактную прочность проводили на модифицированном четырехшариковом испытателе (в соответствии со стандартом IP 300/82), с системой из трех шариков и конуса, на слоях стали 16MnCr5, подвергнутых различным воздействиям. виды науглероживания, проведенные в соответствии с параметрами, приведенными в таблице 1. Результаты представлены на рисунке 5. Полученные таким образом результаты указывают на прочность около 1,6×10-6 циклов при нагрузке 3924 Н, независимо от варианта науглероживания образца.

Рис. 5: Сопротивление точечной усталости стали 16MnCr5 после науглероживания при низком давлении при 920°С и после науглероживания под низким давлением с опцией предварительного азотирования при 950, 980 и 1000°С.

Испытание на удар

Измерения ударной вязкости образцов из стали 16MnCr5, науглероженных в соответствии с параметрами, указанными в таблице 1, проводились с помощью прибора для испытания на удар по Шарпи (в соответствии со стандартом PN-EN ISO 14556). Испытание проводилось на образце с u-образным надрезом; начальная энергия маятника 150 ± 10 Дж. Результаты представлены на рис. 6.9.0003 Рисунок 6: Ударная вязкость (тест Шарпи).

Испытание на ударную вязкость науглероженной стали 16MnCr5 дает аналогичные значения около 160 Дж/см2, независимо от примененной обработки науглероживанием.

Экономический аспект

В ходе исследования был проведен анализ рентабельности внедрения технологии PreNitLPC. Суммарные ежемесячные затраты предприятия, использующего эту технологию, на 1–6 % выше, чем затраты предприятия, использующего технологию ENDO. Однако следует отметить, что из-за различий в температурах процесса и, следовательно, в коэффициентах диффузии углерода время, необходимое для получения заданной толщины слоя, в случае вакуумной технологии намного короче. Как следствие, за заданную единицу времени в печи можно выполнить больше процессов. Эти различия варьируются от почти 6% для тонких слоев до 100% для толстых слоев.

Удельная стоимость науглероживания 1 кг шихты была рассчитана с использованием данных о затратах и ​​технологической мощности печи. Сравнение затрат показывает экономическое преимущество технологии PreNitLPC. Вакуумная технология более экономична даже для самого тонкого слоя 0,4 мм. При анализе удельной стоимости вакуумная технология дешевле более чем на 4% для тонких слоев и даже до 45,6% для самых толстых слоев (для целей данного анализа рассматривался самый толстый слой 5 мм).

Выводы

Подводя итог, можно сказать, что процесс вакуумного науглероживания с предварительным азотированием можно проводить при значительно более высоких температурах, чем традиционно применяемые для науглероживания, без потери функциональных свойств обрабатываемых элементов. Благодаря более высокой температуре можно значительно сократить общее время процесса, что напрямую приводит к благоприятному экономическому результату, не вызывая ухудшения механических свойств компонентов, подвергаемых такой обработке. Это открывает широкие возможности применения, особенно для крупносерийных серий, где экономический аспект наиболее заметен.

Ссылки

1. Gräfen, W.; Эденхофер, Б.: «Ацетиленовое науглероживание при низком давлении – новая и превосходная технология науглероживания», Термическая обработка. Встретились. 4 (1999), стр. 8
2. Графен, В.; Эденхофер, Б.: «Новые разработки в процессах термохимической диффузии», Surface & Coatings Technology 200 (2005), стр.

   No related posts.