Стали для цементации и нитроцементации

Цементация и нитроцементация – наиболее распространенные методы химико–термической обработки (ХТО) стали. В результате такой обработки происходит поверхностное упрочнение деталей машин и механизмов: возрастают износостойкость, прочность, усталостная прочность, а в ряде случаев сопротивление коррозии и окалиностойкость.

Цементации и нитроцементации 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 цементованного слоя, увеличивается прочность и понижается вязкость сердцевины.

Требования, предъявляемые к цементуемым сталям:

- возможность получения требуемого уровня свойств;

- прокаливаемость;

- хорошая обрабатываемость резанием;

- хорошая штампуемость;

- экономичность легирования.

Цементацию проводят при температурах выше точки А₃ в аустенитной области. Температурный интервал цементации составляет 920…980⁰С. Имеется положительный опыт применения для некоторых легированных сталей высокотемпературной цементации при 980…1050⁰С. 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).

Термическая обработка изделий после цементации заключается в закалке и низкотемпературном отпуске, причем закалка может осуществляться непосредственно от температуры цементации (одинарная термическая обработка) или после охлаждения от температуры цементации (в этом случае часто применяют охлаждение на воздухе – нормализацию) и повторного нагрева до температуры несколько ниже точки А₁ с последующей закалкой и отпуском (двойная термическая обработка). Закалку от температуры цементации часто применяют после подстуживания до 840…860⁰С с целью уменьшения коробления изделий.

Легирующие элементы влияют на скорость процесса цементации, глубину цементованного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне. Некарбидообразующие элементы, такие как Ni, Si, Co ускоряют диффузию углерода в аустените при 950⁰С. 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, 1100⁰С) 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. С повышением температуры содержание углерода в цементованном слое легированных сталей уменьшается.

В легированных сталях после цементации (нитроцементации) и закалки кроме мартенсита и карбидов (карбонитридов) присутствует также остаточный аустенит, количество которого может быть значительным. В небольшом количестве остаточный аустенит в цементованном слое может быть даже полезным, так как при этом повышается пластичность и особенно ударная вязкость, но при большом его содержании существенно снижается твердость стали, поэтому для высоколегированных цементуемых сталей в целях уменьшения количества остаточного аустенита проводят обработку холодом после закалки.

Добавки молибдена до 0,3…0,5 % в хромоникелевые и хромомарганцевые стали увеличивают прокаливаемость цементованного слоя (стали 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХНМ). Бор увеличивает прокаливаемость сердцевины.

Широко применяется легирование цементуемых сталей элементами, задерживающими рост зерна аустенита при нагреве (V или Ti). Особенно благоприятно легирование цементуемых сталей Ni, который повышает вязкость цементованного слоя и сердцевины и понижает порог хладноломкости. Однако вследствие дефицитности Ni наблюдается тенденция к замене высоконикелевых сталей малоникелевыми (например, стали 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А).

Оптимальное содержание углерода при цементации в поверхностном слое составляет 0,8…0,9 %. Увеличение содержания углерода до более высоких значений способствует выделению карбидов по границам зерен, что может приводить к образованию трещин в цементованном слое и снижению механических свойств.