15.3.Технология химико-термической обработки сталей Диффузионное насыщении стальных деталей углеродом и азотом

Диффузионное насыщение стали углеродом, азотом и одновременно обоими этими элементами – наиболее распространенные в промышленности процессы химико-термической обработки. Углерод и азот легко усваиваются поверхностью стали, образуют с железом твердые растворы внедрения и сравнительно быстро диффундируют на значительную толщину.

Цементация стали

Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности стальной детали составляет 0,8 – 1%, структура низкоопущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу, твердость поверхности равна 750 – 950 HV.

Сердцевина детали, содержащая 0,08 – 0,25% С, остается вязкой. Поверхности, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднением; толщина слоя составляет 0,02 – 0,05 мм.

Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки, червяки и т.д.

Карбюризаторы

Исходную среду цементации (науглероживания) принято называть карбюризатором. В основном применяют два способа цементации в твердом и газовом карбюризаторе, протекающие через газовую фазу. Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20 – 25% BaCO₃ для интенсификации процесса и 3 – 5% CaCO₃ для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковывают в контейнер (стальной ящик) и нагревают в печи до 910 – 930 °C. При нагреве уголь взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции:

2C + O₂ → 2CO. (15.2)

Кроме того, оксид углерода образуется в результате реакции

BaCO₃ + C → BaO + 2CO. (15.3)

На поверхности деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования

2CO ↔ CO₂ + C, (15.4)

в результате которой активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью, находящейся в аустенитном состоянии, а CO₂ взаимодействует с углем, образуя новые порции CO.

Таким образом, в результате обратимой реакции диспропорционирования углерод переносится на насыщаемую поверхность.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разбавленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), 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 среду. Основная ведущая реакция при наличии метана

CH₄ → 2H₂ + C. (15.5)

В ряде случаев (эндотермическая контролируемая атмосфера) при наличии в газе CO возможна также реакция 2CO → CO₂ + C. В зависимости от состава газовой смеси и содержания углерода в стали атмосфера в рабочем пространстве печи может быть науглероживающей, обезуглероживающей и нейтральной. Нейтральному составу газовой смеси соответствует определенная равновесная концентрация углерода на поверхности стальной детали. Эту концентрацию углерода принято называть углеродным потенциалом контролируемой атмосферы. Следовательно, науглероживание будет происходить в том случае, если концентрация углерода на поверхности стали будет меньше углеродного потенциала газовой смеси при данной температуре.