20.11.2018
На сегодняшний день Бельгию вполне заслужено называют одним из самых крупных поставщиков продовольственных товаров, а также...


19.11.2018
В последние годы всё большее количество люде используют для обшивки фасадной части своего жилого здания металлический сайдинг (из...


19.11.2018
Горячекатаный швеллер в последние годы считается весьма популярным типом металлического проката. Он нашёл широчайшее во многих...


19.11.2018
Участие профессионального адвоката в уголовном производстве в настоящий момент считается важнейшим условием для того, чтобы моно...


19.11.2018
Наличие надежных дверных замков в рабочем состоянии — залог того, что квартира и все ее имущество останутся целыми. Это защита от...


17.11.2018
Сантехнические ревизионные люки являются технологичными углублениями или же, иными словами, колодцами, где располагаются счётчики...


Термическая обработка инструмента из цементуемой стали

01.06.2018
В процессе механической обработки сталь с более низким содержанием углерода марок 08 и 10 дает недостаточно чистую поверхность с задирами, рисками и т. п. Поэтому предпочтительно применять для изготовления измерительного инструмента сталь марок 15 и 20.

Улучшения обрабатываемости стали 08 и 10 можно достигнуть проведением нормализации перед механической обработкой. Режим нормализации: нагрев до 900—950°, выдержка при температуре нагрева 5—10 мин. и последующее охлаждение на воздухе.

После механической обработки инструмент передают для цементации. Предварительно его очищают от грязи.

В процессе цементации поверхностный слой металла насыщается углеродом. Толщина цементованного слоя (т. е. глубина цементации) и содержание в нем углерода зависят от режима цементации и состава применяемого карбюризатора. С повышением температуры нагрева при цементации, увеличением продолжительности выдержки и при применении в составе карбюризатора более активно действующих веществ (например, при твердой цементации, соды, углекислого бария, животного угля и т. д.) возрастают толщина цементованного слоя и процент содержания в нем углерода.

Толщина этого слоя может составить до 3 мм, а содержание углерода в тонком поверхностном слое превысить 1,0%. Наиболее желательно иметь содержание углерода в поверхностном слое, близкое к эвтектоидному (0,85—0,9%), так как при более высоком содержании углерода в этом слое образуются цементитная сетка и грубые скопления цементита, что делает поверхностный слой чрезмерно хрупким. С другой стороны, содержание углерода менее 0,85—0,9% не позволит получить после закалки достаточно однородную высокую твердость.

Глубина цементации, т. е. общая толщина цементованного слоя до границы ферритной зоны, должна устанавливаться в зависимости от толщины (или диаметра) измерительного инструмента Можно руководствоваться при этом следующими примерными нормами:

Для цементации применяются карбюризаторы твердые, жидкие и газообразные.

Цементация в твердом карбюризаторе распространена в промышленности более широко, так как она не требует специального оборудования и выполняется в обычной пламенной или электрической печи, используемой для отжига, нормализации и т. д. Однако недостатками этого способа являются: длительность и сложность ведения процесса, необходимость составления смесей, упаковки инструмента в ящики перед цементацией и раскупорки их после цементации, трудность получения достаточно однородного по глубине и по химическому составу цементованного слоя.

Жидкая и газовая цементация являются сравнительно новыми способами и лишь в последнее время получили применение на заводах.

Преимуществами цементации в жидком карбюризаторе по сравнению с твердой цементацией являются:

а) быстрота ведения процесса, требующего выдержки 40—60 мин. вместо 10—20 час. — в твердом карбюризаторе;

б) выполнение цементации при более низких температурах (780—850°), что позволяет объединить цементацию и закалку в одну операцию, упростив цикл последующей термической обработки;

в) возможность получить ‘более твердый и износоустойчивый слой при проведении цементации в смеси, содержащей цианистую соль, за счет диффузии в поверхностный слой углерода и азота;

г) возможность более точно регулировать режим и ход цементации, следовательно, получить более ровную твердость и примерно одинаковую глубину цементации в различных партиях инструмента.

Недостатками цементации в жидком карбюризаторе являются трудность правки и рихтовки инструмента в закаленном состоянии и необходимость применения ядовитой смеси, если для цементации избирается состав, содержащий цианистые соли.

Газовая цементация производится в различных смесях (пиролизном газе, крекинг-газе и т. д.) при высоком нагреве (920—940°). Преимущества этого процесса заключаются в его высокой производительности, чистоте и сравнительной однородности результатов по твердости и составу цементованного слоя. Недостатками газовой цементации являются длительность процесса и необходимость последующей улучшающей обработки для регенерации зерна, выросшего при длительном высоком нагреве.

В последние годы В.И. Просвирин в России и Коуэн и Брайс в США разработали новый процесс высокотемпературного газового цианирования (нитроцементации), заключающийся в одновременном науглероживании и азотировании поверхности стали в газовой среде. Этот процесс можно выполнять при более низких температурах (ниже 850°), что позволяет объединить его с закалкой. Нитроцементация дает более твердый и износоустойчивый слой при меньшей продолжительности выдержки, чем в случае обычной газовой цементации. Однако этот процесс требует весьма тщательного регулирования состава газовой смеси, так как изменения в составе углеродсодержащего газа заметно влияют на ход процесса и на глубину цементации. В дальнейшем процесс нитроцементации подробно разрабатывался Н.Ф. Вязниковым и А.А. Юргенсоном, М.П. Брауном, А.М. Власовым и Р.М. Гольдиной и особенно В.Т. Чирковым, и в настоящее время применяется на некоторых заводах.

а) Цементация в твердом карбюризаторе. В качестве карбюризатора можно применять следующие простые составы смеси:

а) 90% древесного угля и 10% соды;

б) 80% древесного угля, 5% углекислого бария, 15% поташа;

в) 60—70% древесного угля и 25—40% соды (или поташа или углекислого бария);

г) карбюризатор изготовления Бондюжского завода

д) такой же карбюризатор с добавкой 10—15% соды.

Очень активными карбюризаторами являются составы б) и в), создающие при одинаковом режиме цементации более насыщенный углеродом поверхностный слой и большую глубину цементации. Однако при этом переход от цементованной поверхности к нецементованной сердцевине становится более резким, что увеличивает хрупкость инструмента и опасность скалывания цементованного слоя.

Компоненты, применяемые для карбюризатора, измельчают, а затем тщательно перемешивают. Величину частиц древесного угля сохраняют при этом в пределах примерно 3—5 мм в поперечнике.

Подготовленный карбюризатор смешивают с таким же количеством отработанного карбюризатора (т. е. карбюризатора, уже применявшегося для цементации).

Для цементации инструмент укладывают в металлический ящик, на дно которого засыпают карбюризатор слоем 25—30 мм, на этот слой укладывают инструменты таким образом, чтобы расстояние между ними было не менее 15—20 мм, а между крайними в ряду инструментами и стенками ящика — 25—30 мм. Уложенный инструмент засыпают карбюризатором слоем 15—20 мм, на этот слой укладывают следующий ряд инструмента в таком же порядке и т. д. Последний (по высоте) ряд засыпают карбюризатором слоем 25—30 мм, после чего ящик закрывают крышкой, замазывают глиной и устанавливают в печи. Для более равномерного прогрева ящики помещают на металлических брусьях высотой 70—100 мм.

Для ускорения прогрева, сокращения продолжительности цементации и получения более равномерной толщины цементованного слоя рекомендуется применять высокие, длинные, но узкие ящики, или широкие, но плоские, аналогично применяемым для отжига.

Температура цементации 870—920°. Более высокий нагрев наряду с увеличением зерна стали вызывает чрезмерное повышение содержания углерода в поверхностном слое, создает резкую границу между мягкой сердцевиной и твердым цементованным слоем и, кроме того, увеличивает коробление и поводку инструмента.

Ящики с инструментом загружают в печь, нагретую до 500—600°, после чего печь включают на полную мощность. После достижения заданной температуры ящики выдерживают в течение нескольких часов, а затем охлаждают до 600° вместе с печью, после чего их выдают на воздух. He следует стремиться к тому, чтобы выдавать ящики из печи при более высоких температурах, так как замедленное охлаждение с печью позволяет выдержать инструмент в середине ящика при повышенных температурах более длительное время. В этом случае несколько выравнивается общая продолжительность выдержки инструмента, находящегося у края ящика и в его середине, что обеспечивает большую равномерность цементации (при нагреве инструмент, находящийся у края ящика, находится при высоких температурах более длительное время).

Продолжительность выдержки после достижения печью заданной температуры зависит от:

а) скорости нагрева печи до заданной температуры;

б) размеров ящика, в котором производится цементация;

в) температуры нагрева при цементации;

г) активности применяемого карбюризатора;

д) глубины цементации, заданной для данного инструмента.

Чем больше скорость нагрева печи, температура цементации и активность карбюризатора, тем меньше может быть продолжительность выдержки при цементации; с другой стороны, чем больше толщина ящика, тем более продолжительными должны быть нагрев и выдержка инструмента.

При определении зависимости между продолжительностью выдержки при цементации и глубиной цементации можно ориентировочно руководствоваться примерной нормой, по которой на каждые 0,1—0,12 мм глубины цементации требуется 1 час выдержки. Эта норма справедлива, главным образом, при применении Бондюжского карбюризатора; она несколько меньше при выполнении цементации в более активном карбюризаторе.

Общую продолжительность выдержки при цементации надо устанавливать экспериментально применительно к типу, размеру и мощности печи, размерам ящика и составу карбюризатора. Для определения необходимой продолжительности цементации надо пользоваться железными стержнями («свидетелями»); последние помещают в различных местах ящика и выводят наружу через специальные отверстия в крышке ящика. Через известные промежутки времени «свидетели» вынимают из ящика, закаливают, ломают и по их излому определяют глубину цементации в зависимости от продолжительности выдержки, а для больших ящиков — и от места положения инструмента в ящике. На основании этих данных устанавливают требуемую продолжительность выдержки.

В результате длительного нагрева при высоких температурах цементации в стали образуется крупное зерно, что создает хрупкость. Поэтому для ответственных деталей, испытывающих в работе значительные ударные нагрузки, необходимо производить после цементации нормализацию или улучшающую обработку, заключающуюся в закалке с нагревом до высоких температур (850—870°) для измельчения зерна в сердцевине и высоком отпуске. После этого изделие проходит закалку с нагревом до 780—800° для получения требуемой мартенситной структуры и высокой твердости в цементованном: слое, а затем — низкий отпуск в интервале 150—180°

Для измерительного инструмента с целью экономии времени, печного оборудования и топлива рационально вместо улучшающей обработки применять только нормализацию, что позволяет одновременно- уменьшить поводку инструмента, которая яри высокой закалке больше, чем при нормализации.

Для инструмента более сложной формы или длинного и тонкого, который дает значительную поводку не только при высокой закалке, но и при нормализации, можно ограничиться выполнением одной низкой закалки и отпуска без предварительной нормализации.

Если после цементации инструмент проходит нормализацию, то его нагревают в отработанном карбюризаторе до 850—870°, выдерживают при этой температуре 5—20 мин. (в зависимости от толщины или диаметра инструмента), охлаждают на воздухе и передают для рихтовки.

После рихтовки и правки инструмент поступает на окончательную закалку. Наиболее целесообразно для уменьшения окисления поверхности в процессе закалки производить нагрев в свинцовой ванне. Для уменьшения коробления и поводки в ванне нагревают только рабочую часть инструмента. Температуры нагрева при закалке: 780—800°, охлаждение — в воде.

Для снижения возникающих напряжений и уменьшения опасности образования мелкой сетки поверхностных трещин при последующей шлифовке инструмент после закалки проходит отпуск в масляной ванне при 150—170° продолжительностью 1—2 часа.

После шлифовки инструмент проходит операцию старения с целью максимально полного перевода тетрагонального мартенсита в менее напряженное состояние кубического мартенсита и для снятия напряжений, образующихся после шлифовки. Однако в отличие от операции старения инструмента, изготовленного из стали с высоким содержанием углерода, длительная выдержка цементованного инструмента в процессе старения не является необходимой. Ввиду незначительной толщины цементованного слоя происходящие в нем объемные изменения сравнительно невелики и мало влияют на размеры инструмента. Поэтому общую продолжительность старения цементованного инструмента принимают в 2—3 часа при нагреве 160—175°.

б) Цементация в жидком карбюризаторе. Цементацию в жидком карбюризаторе производят путем нагрева и выдержки инструмента в ванне с расплавленной солью. Составы соли для цементации применяются следующие.

В этом составе целесообразно соду полностью или частично заменить хлористым калием и хлористым барием. Эти соли являются «нейтральными» в смысле науглероживающего воздействия, введение их имеет целью предохранить цианистые соли от быстрого разложения и ослабить резкость действия карбюризатора. Вместо желтой кровяной соли можно применять также красную кровяную соль:
Термическая обработка инструмента из цементуемой стали

Некоторые авторы рекомендуют применять в качестве карбюризатора цианистый натрий и цианистый калий. Однако эти соли обладают повышенной ядовитостью, о чем подробно указывается далее.

Baнну второго состава приготовляют следующим образом: сначала расплавляют соду, затем в ванну добавляют хлористый натрий, а в последнюю очередь — карборунд. Последний предварительно измельчают. По мере истощения ванны в нее добавляют свежие порции карборунда, который можно применять из отходов карборундовых абразивных камней или из отходов электрометаллургического производства. Температуру ванны не следует повышать сверх 900°, так как иначе на ее поверхности образуется плотная корка карборунда.

Карбюризатором в этом составе является карборунд; выделяющийся при его разложении углерод насыщает поверхностный слой стали.

При применении первого состава поверхность стали насыщается не только углеродом, но и азотом. Твердость и износоустойчивость поверхностного слоя выше, чем при цементации в твердом карбюризаторе или в ванне с карборундом.

Температура цементации для первого состава составляет 780—820°, а для второго состава 800—830° Выдержка во втором составе продолжительностью 40—50 мин. позволяет получить цементованный слой толщиной 0,2—0,3 мм. С повышением температуры ванны глубина цементации возрастает. Продолжительность выдержки надо устанавливать и систематически проверять по образцам — «свидетелям».

Ввиду того что температуры нагрева при жидкой цементации ниже, а продолжительность выдержки меньше, чем при цементации в твердом карбюризаторе, то нет необходимости производить улучшающую обработку после жидкой цементации. Поэтому изделие непосредственно после выдержки в жидкой ванне охлаждают (или замачивают) в воде, а затем передают для отпуска. Температура отпуска 150—170°, а продолжительность 1—2 часа. После рихтовки (правки) и шлифовки инструмент проходит старение и окончательную доводку. Режим старения указан выше.

В случае выполнения цементации в смеси первого состава, содержащей цианистые соединении типа кровяной соли, необходимы специальные меры по технике безопасности, заключающиеся в следующем:

а) инструмент после цементации и охлаждения надо промывать от следов соли;

б) охлаждать инструмент надо в отдельных баках, вода из которых должна немедленно после закалки всей партии сливаться в канализацию и не использоваться для других обработок в цехе;

в) отработанные соли надо складывать в отдельном ящике, заливать 5—10%-ным раствором железного купороса, а затем сжигать в топке или закапывать или же сливать в канализацию;

г) приспособления для жидкой цементации (крюки, клюшки, сетки и т. п.) нельзя использовать для других ванн в цехе;

д) в ванны, используемые для жидкой цементации, нельзя загружать селитру;

е) работу у ванн надо вести в резиновых перчатках.

в) Высокотемпературная нитроцементация. Нитроцементация производится путем нагрева инструмента в газовой смеси, состоящей из углеродсодержащего газа и аммиака. При нагреве происходят реакции разложения аммиака, углеводородов и окиси углерода, в результате чего поверхность стали насыщается азотом и углеродом.

Процесс диффузии углерода в сталь происходит в такой смеси более активно и при более низких температурах, чем в случае нагрева в среде, состоящей только из углеродсодержащего газа, применяемого при обычной газовой цементации, так как азот, диффундирующий в сталь, понижает в ней критическую точку Ac3.

Толщина нитроцементованного слоя возрастает с увеличением температуры нагрева и продолжительности выдержки. На фиг. 96, построенной по данным В.Т. Чирикова, указана толщина слоя при выполнении нитроцементации в среде, состоящей из 30% аммиака и 70% газа, полученного путем пиролиза керосина. Эти данные показывают, что в случае выполнения нитроцементации при 820—830° толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2—0,3 мм после выдержки в течение 1,5 час. и 0,7—0,9 мм после выдержки в течение 6 час.

Для сравнения надо указать, что для получения толщины слоя в 0,7—1,0 мм при обычной газовой цементации, т. е. в среде, состоящей из одного цементующего газа (без аммиака), требуется нагрев до 930° и выдержка в течение 9—10 час.

Выполнение нитроцементации при более низких температурах (820—830°) предохраняет сталь от образования крупного зерна и позволяет охлаждать изделие в воде или в масле (непосредственно после нитроцементации, сочетая ее с закалкой в одной операции. Это дает возможность отказаться от выполнения промежуточной улучшающей обработки. После закалки инструмент передают для отпуска. Температура отпуска 180—210° Затем следуют шлифовка и старение.

Характерно, что с увеличением толщины нитроцементованного слоя понижается его твердость, особенно в случае охлаждения в масле. В.Т. Чириков указывает, что после охлаждения в масле сталь в зависимости от ее химического состава получает твердость на поверхности в пределах 59—66 Rс, если толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2—0,3 мм, и в пределах 55—60 Rс при толщине слоя в 0,4—0,6 ,мм; температура нитроцементации в обоих случаях составляла 820—830°. Такое понижение твердости В.Т. Чириков объясняет увеличением количества остаточного аустенита в поверхностном слое ввиду возрастания в нем содержания азота и углерода.

Малоуглеродистая сталь марок 08, 10, 15, 20, применяемая для изготовления цементуемого измерительного инструмента и охлаждаемая при закалке в воде, сохраняет меньше остаточного аустенита и имеет, следовательно, более высокую твердость в поверхностном слое, чем легированная и среднеуглеродистая сталь.

Для получения менее хрупкого и более твердого нитроцементо-ванного слоя рекомендуется:

1) нагрев три нитроцементации производить в интервале 820—830°;

2) продолжительность выдержки устанавливать из расчета получения минимально допускаемой для данного инструмента толщины нитроцементованного слоя;

3) соотношение между аммиаком и пиролизным газом поддерживать строго постоянное: смесь газов должна состоять примерно из 30% аммиака и 70 % пиролизного газа. При увеличении содержания аммиака поверхностный слой стали чрезмерно насыщается азотом и получает повышенную хрупкость.. Возможность эффективного применения газогенераторного газа для высокотемпературной нитроцементации в достаточной степени еще не изучена.

Процесс высокотемпературной нитроцементации, так же как и процесс газового цианирования, выполняют в герметически закрывающейся муфельной печи, через которую пропускают аммиак и углеродсодержащий газ.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: