Газовая цементация стали 18ХГТ с использованием термоциклирования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.539.43

ГАЗОВАЯ ЦЕМЕНТАЦИЯ СТАЛИ 18ХГТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ

© 2018 Н. А. Костин1, В. И. Колмыков2, Е. В. Трусова3

1 канд. техн. наук, доцент каф. общетехнических дисциплин e-mail: nikolay-kostin@yandex. ru

Курский государственный университет

2докт. техн. наук, профессор кафедры технологии машиностроения и оборудования e-mail: kolmikov@yandex. ru

Юго-западный государственный университет

3канд. техн. наук, доцент каф. общетехнических дисциплин e-mail: ev. trusova@yandex. ru

Курский государственный университет

Показано, что цементация хромомарганцевой стали в газовой атмосфере с термоциклированием позволяет в два раза ускорить насыщение и увеличить содержание углерода в диффузионных слоях по сравнению с изотермической цементацией.

Ключевые слова цементация, термоциклирование, диффузионный слой

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 термоциклической обработки, суть которого заключается в проведении насыщения не при постоянной температуре (изотермический режим), а при переменной температуре, изменяющейся циклически (неизотермический режим или термоциклирование) [Костин 2018].

Для исследования влияния температурно-временных параметров на результаты цементации была проведена серия опытов на образцах хромомарганцевой стали массового производства 18ХГТ при постоянном составе газовой цементирующей среды в природном газе. Режимы цементации представлены на рисунке, результаты цементации в таблице.

Режимы цементации и характеристики цементованных слоёв на стали 18ХГТ

№ режим а Режим цементации Общее время насыщения, ч Глубина диффузионного слоя, мм Скорость насыщения, мм/ч Характеристика цементованного слоя

1 9200С; охлаждение с муфелем 7 0,84 0,12 Гомогенный твердый раствор с редким включениями карбидов

2 9200С; 0,5 часа + 6500С, 0,5 часа; (3 раза) + закалка 6,5 1,5 0,23 Мелкие карбиды (1... 2,2 мкм) по всему слою

3 9600С; 1 час + 6500С, 0,3 часа; (3 раза) + закалка 7 1,75 0,25 Карбиды среднего размера (3,5.5 мкм)

а)

б)

в)

Температурно-временные режимы цементации стали 18ХГТ, принятые в эксперименте: а -изотермический режим; б, в - термоциклический режим

Костин Н. А., Колмыков В. И., Трусова Е. В. Газовая цементация стали 18ХГТ

с использованием термоциклирования

Как видно из представленных в таблице экспериментальных результатов, скорость насыщения стали 18ХГТ углеродом на изотермических режимах (режимы № 2 и № 3) в 1,9... 2,1 раза выше, чем на стационарном режиме, особенно при повышенной температуре 960°С первой ступени (режим № 3).

Цементация при циклическом изменении температуры в интервале АС1 и АС2 приводит к воздействию на диффузию углерода как полихромного (у^-а) превращения, так и перлитного превращения при выдержке в районе температур распада аустенита (~ 650°С). Одновременно с интенсификацией диффузионного насыщения такие режимы приводят к интенсификации карбидообразования в хромомарганцевой стали [Трусова 2017].

Механизм ускорения диффузии углерода в сталь при цементации с термоциклированием в интервале температур выше АС3 и ниже АС1 включает три аспекта, связанных с приведением решетки железа в неравновесное состояние [Бондаренко и соавт. 2013].

В процессе фазовых превращений в стали (что имеет место при термоциклировании) происходит перестройка кристаллической решетки, вызывая генерирование точечных и линейных дефектов. Вокруг этих дефектов создаются локальные поля внутренних напряжений, притягивающие атомы внедряемых элементов. Кроме того, в результате фазовых превращений возникают внутренние напряжения, связанные с фазовой дилатацией, которые повышают термодинамическую активность углерода и интенсифицируют процессы диффузии.

При многократных фазовых превращениях в стали происходит существенное увеличение зёрен, в результате чего суммарная зернограничная поверхность поликристаллического тела (цементуемого изделия) многократно возрастает. Поскольку диффузия элементов внедрения по границам зерен происходит в несколько раз быстрее, чем в их объёме, углерод быстро проникает в глубину стали по «рыхлой» решетке приграничных зон.

Прямыми экспериментами показана преимущественная диффузия примесей внедрения по высокоугловым границам, которые, как известно, имеют повышенную концентрацию вакансий и содержат значительное количество зернограничных дислокаций, то есть большое количество свободных мест в кристаллической решётке железа, по которым легко перемещаются относительно небольшие атомы углерода.

Кроме того, образуется повышенная концентрация дефектов. Измельчение зёрен и субзерен, а также образование гетерофазной субструктуры приводит не только к увеличению подвижности атомов в неплотной решётке металла-растворителя, но и уменьшает энергию активации диффузии атомов насыщающего элемента. Например, как показано в работе М.А. Криштала [1972], энергия активации диффузии атомов углерода в процессе превращения аустенита в ферритоцементитную гетерогенную смесь составляет 18.20 ккал/г*ат, а при диффузии углерода в гомогенном аустените энергия активации составляет около 32 ккал/г*ат, то есть в 1,6.1,8 раз больше.

Таким образом изменение температурно-временных условий насыщения (термоциклирования) позволяет значительно ускорить диффузию углерода в стали и ускорить процесс цементации.

Обработка стали в газовой атмосфере по неизотермическим режимам позволяет увеличить не только глубину цементации (в результате интенсификации процессов диффузии), но и увеличить содержание углерода в диффузионных слоях до заэвтектоидных концентраций. В сталях, легированных карбидообразующими элементами (в том числе 18ХГТ), цементация с термоциклированием способствует получению структуры с избыточными карбидами в форме мелких округлых

включений, равномерно распределенных в металлической матрице. Материалы с такой структурой отличаются повышенной износостойкостью.

При циклической цементации в процессе охлаждения аустенита ниже т. Ас3 происходит выделение избыточного углерода в первом цикле в форме цементитной сетки по границам зёрен и пластин переменной толщины. Нагрев в следующем цикле приводит к растворению карбидов в тонких участках. При последующем охлаждении избыточный углерод выделяется на подложке из нерастворившихся утолщённых участков карбидной сетки, при этом карбидные включения увеличиваются и приобретают округлую форму. Чем больше число циклов обработки стали в газовом карбюризаторе, тем более равноосными и крупными получаются карбидные включения в структуре цементованных слоёв.

Исследование процесса цементации с использованием термоциклирования в интервале температур 960...650°С со скоростью нагрева 30...80°С/мин и с такой же скоростью охлаждения при продолжительности каждого цикла до 2-х часов показало, что ни в диффузионном слое, ни в сердцевине цементуемых изделий не происходит роста зерна. Это относится не только к наследственно мелкозернистым сталям, легированным титаном или вандием (таким как 18ХГТ), но и к простым углеродистым сталям, а также к сталям, легированным никелем и марганцем, которые при стационарных режимах цементации склонны к росту аустенитного зерна. Поэтому цементация с термоциклированием позволяет исключить дополнительный нагрев цементованных деталей под закалку и проводить закалку непосредственно с цементационного нагрева. Это делает такую обработку весьма экономичной, так как позволяет значительно сократить время обработки деталей и уменьшить расход энергии на их нагрев.

Таким образом, можно заключить, что цементация сталей в газовой атмосфере с термоциклированием позволяет получить в 2 раза более глубокие диффузионные слои с повышенным содержанием углерода по сравнению с цементацией на изотермических режимах при одинаковых температурах и выдержках. Цементация с термоциклированием позволяет проводить закалку непосредственно из цементационной печи без дополнительного нагрева, что значительно удешевляет обработку стальных изделий. При циклической цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами (например, хромомарганцевой стали 18ХГТ) в газовой атмосфере, в их диффузионных слоях образуются достаточно большое количество карбидных включений, равномерно распределённых в твёрдорастворной матрице, что благоприятно сказывается на износостойкости цементованных слоёв.

Библиографический список

Костин Н.А. Технологические аспекты повышения стойкости штампового инструмента / Курский государственный университет. Курск: Изд-во ЗАО «Университетская книга», 2018. 287 с.

Криштал М.А. Механизм диффузии в железных сплавах. М.: Металлургия, 1972.

399 с.

Трусова Е.В. Особенности процесса химико-термической обработки с использованием термоциклирования стали // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2017. № 1 (13). URL: http://auditorium.kursksu.ru/pdf/013-016.pdf (дата обращения: 13.07.2019).

Бондаренко Г.Г.? Рыбалко В.В., Кабанова Т.А. Материаловедение. М.: Машиностроение, 2013. 360 с.