СПОСОБ УСКОРЕННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF RAPID CEMENTATION OF STEEL DETAILS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к химико-термической обработке стали, и может быть использовано для увеличения твердости, прочности и износостойкости поверхностей стальных деталей.
Известен способ упрочнения поверхности стальных изделий, включающих нагрев поверхности изделий до плавления электрической короткой дугой обратной полярности угольным электродом и охлаждение, которое ведут до температур фазовых превращений, а затем осуществляют пластическую деформацию поверхности охлаждаемым инструментом и непосредственно с температур деформации обрабатывают холодом (патент РФ №2025509, С23С 8/22).
Существенными недостатками способа следует отметить:
1. Цементация, осуществляемая методом сканирования, снижет производительность технологического процесса.
2. Нагрев поверхности детали до оплавления снижает чистоту обработанной поверхности.
3
1
3
Другой способ термоциклической цементации стальных изделий, включающий нагрев в насыщающей среде до температуры выше Ас с приложением напряжений, охлаждение до температуры ниже Ar, закалку от температуры нагрева последнего термоцикла и низкий отпуск, причем с целью интенсификации процесса и повышения поверхностной твердости охлаждение в каждом термоцикле проводят при воздействии переменного магнитного поля с одновременным приложением дополнительных переменных напряжений от нуля до предела текучести стали, соответствующего температуре Ас (А.с. №1663043 А1, С23С 8/22),
Недостатками способа являются:
1. Снижение производительности технологического процесса вследствие обработки каждой детали в отдельности.
2. Предусмотренные способом дополнительные напряжения и переменное магнитное поле усложняют и удорожают процесс цементации.
3. Возникающие вследствие приложения напряжений, равных пределу текучести, пластические деформации снижают чистоту поверхностей обрабатываемых деталей.
3
1
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ ускоренной цементации стальных деталей, включающий нагрев в насыщающей среде до температуры выше Ас, охлаждение до температуры ниже Ar, для чего способ включает не менее трех циклов в контейнере с твердым карбюризатором, в которых нагрев осуществляется пачками импульсов электромагнитного излучения определенной частоты до температуры 1220±10 К, с последующим охлаждением цементируемых деталей до температуры 910±10 К при скорости нагрева и охлаждения более 1 К/с, с выдержкой при экстремальных температурах каждого цикла, составляющей до двух минут (патент РФ №2283893, С23С 8/66).
Недостатки способа:
1. Необходимость предварительного опытного определения времени выдержки при экстремальных температурах цикла для получения заданной толщины цементируемого слоя.
2. Жесткие температурные границы процесса независимо от процентного содержания углерода в цементитном слое.
Задачей изобретения является снижение энергозатрат технологического процесса цементации сокращением времени химико-термической обработки стали и выбор оптимального коридора термоциклирования.
3
1
Поставленная задача достигается способом ускоренной цементации стальных деталей, включающим проведение более трех циклов нагрев-охлаждение, состоящих из нагрева пачками импульсов электромагнитного излучения до температуры выше Ac со скоростью 1 К/с и охлаждение до температуры ниже Ar со скоростью 1 К/с, причем нагрев проводят до температуры не выше 1220±10 К и охлаждение до температуры не ниже 950±10 К, при этом продолжительность выдержки при нагреве и охлаждении определяется необходимой толщиной цементитного слоя и равномерностью распределения углерода в нем.
Новые существенные признаки:
1. Количество циклов нагрева и охлаждения, определяющих толщину цементитного слоя, составляет более трех.
2. Нагрев производится до температуры не выше 1220±10 К, определяемой необходимым процентным содержанием углерода в цементитном слое и степенью гомогенизации углерода в соответствии с диаграммой состояния железо-углерод и диаграммой аустенитного превращения железа.
3. Цементируемые детали охлаждаются до температуры не ниже 950±10 К, определяемой диаграммой перлитного преобразования, соответствующей нижней границе образования карбида железа.
4. Длительность выдержки при экстремальных температурах цикла определяется необходимой толщиной цементитного слоя и равномерностью распределения углерода в нем.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
3
1
Получение технического результата изобретения достигается тем, что при определении температурных границ технологического процесса цементации использовались точки Ас и Ar, соответствующие границам фазовых переходов в зависимости от содержания цементита в стали по диаграмме железо-углерод (Фиг.1).
1
1
3
3
При непрерывном нагреве превращение α-Fe в γ-Fe происходит в некотором интервале температур, верхняя граница которого изменяется в зависимости от содержания углерода в металле. При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры критической точки Ac, после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная система, содержащая одновременно аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале температур от Ac до Ас феррит постепенно превращается в аустенит. Выше точки Ас феррит полностью превращается в аустенит. Рост участков аустенита в результате полиморфного превращения протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому после превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется некоторое количество цементита и для его растворении в аустените необходимо некоторое время.
3
1
Если доэвтектоидную сталь, находящуюся при температуре выше точки Ас, переохладить ниже точки Ar, то аустенит оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает перлитное превращение. Перлитное превращение при температуре порядка 960 К происходит в течение нескольких минут.
3
1
Длительность процесса фазового превращения пропорциональна массе и теплоемкости нагреваемого тела, его линейным размерам и обратно пропорциональна мощности нагревателя, содержанию углерода (для доэвтектоидных сталей), а также величине перегрева выше точки Ас и переохлаждения стали ниже точки Ar, но и при нагревании и при охлаждении фазовый переход начинается с поверхности детали. Так как в процессе фазовых переходов происходит обрыв диагональных связей, определяющих пространственную жесткость кристаллической решетки, то элементарные объемы решетки находятся в это время в псевдожидком состоянии и образующаяся на поверхности стали псевдожидкая волна фазового перехода перемещается вглубь объема металла. Находящийся к моменту начала фазового перехода на поверхности железа и в межкристаллитных, межблочных и межфрагментарных полостях (обусловленных строением металла) адсорбированный атомарный углерод подхватывается псевдожидкой волной фазового превращения и перемещаются вглубь металла, как перемещаются примеси в слитке при зонной плавке. Проведение более трех циклов нагрев-охлаждение позволяет за короткое время переместить значительное количество атомарного углерода в объем цементируемого металла на заданную глубину.
Атомарный углерод проникает в сталь по межкристаллитным, межблочным и межфрагментарным пространствам из-за разности концентраций и давлений фазы внедрения у поверхности металла и в микрополостях, где сохраняется глубокий вакуум. Проникновение атомарного углерода в сталь становится возможным только в том случае, если цементируемый металл нагрет до температур, при которых поперечные сечения входов в межкристаллитные, межфрагментарные и межблочные объемы становятся соизмеримыми с размерами атома углерода. Способствуют проникновению углерода в сталь электрическое и магнитное поля, а также наличие вакансий в структуре металла.
Известное выражение для скорости массопереноса  одномерного потока частиц, диффундирующих в толщу металла через площадку поперечным сечением S, в соответствии с предложенной моделью науглероживания стали в общем виде с учетом действия градиента давления, вакансионного переноса, а также скорости изменения градиентов температуры и внешнего магнитного потока будет имеет вид:
.
Где  - градиенты концентрации, давления, температуры, электрического потенциала и вакансий соответственно, описывающие диффузионный процесс в соответствии с первым законом Фика, барический перенос, теплоперенос по Фромму и Гебхарту, электроперенос в соответствии с уравнением Фика-Нернста и вакансионный перенос по Мечеву;
- скорость изменения градиента температуры - член, описывающий фазовый перенос;
- скорость изменения градиента внешнего магнитного потока - член уравнения, описывающий электромагнитный перенос при воздействии на цементируемую деталь токов высокой частоты;
А, В, С, X, Y - интегральные коэффициенты;
D - коэффициент диффузии углерода в металле, значение которого для предлагаемого технологического процесса химико-термической обработки определяют уже не ограничения, накладываемые на диффузионные процессы в твердом металле, а скорость распространения волны псевдожидкого фазового превращения в объеме детали, зависящего прежде всего от скорости изменения температуры, пропорциональной мощности нагревателя и холодильника;
м
V - средний объем вакансии, в которую диффундирует атом примеси.
1
Транспорт углерода в сталь по предложенному способу цементации осуществляется со скоростью, достигающей 0,1…1 мм/с, что значительно выше скорости проникновения углерода в металл (порядка 0,1 мм/час) при традиционных способах цементации партии деталей в контейнере с твердым карбюризатором. Ускоренный транспорт углерода в металл облегчается тем, что при температуре 960 К, что ниже точки фазового перехода A, количество образующегося атомарного углерода, адсорбированного поверхностью стали, увеличивается почти в 8 раз, по сравнению с температурой 1230 К, при которой обычно ведется цементация в твердом карбюризаторе. При температуре 1230 К входные сечения в межкристаллитные, межблочные и межфрагментарные полости увеличиваются, что облегчает проникновение в них углерода и транспорт его в металл.
Расчеты изменения концентрации, диффундирующей в толщу металла примеси, и скорости протекания технологического процесса с помощью предлагаемого уравнения достаточно сложны, так как входящие в него интегральные коэффициенты и коэффициент диффузии D зависят от начальной концентрации примеси, температуры, давления и легирующего компонента. Более простым является способ определения скорости науглероживания графоаналитическим методом исходя из скорости протекания полиморфных превращений по диаграммам превращения переохлажденного аустенита (Фиг.2) и изотермического образования аустенита (Фиг.3).
Снижение температуры ниже 950 К при термоциклировании нецелесообразно, так как это резко понижает производительность процесса вследствие смещения равновесия реакции образования цементита и снижения скорости реакции и прекращения образования карбида железа. Тем более что в соответствии в С-образной кривой диаграммы изотермического превращения (Фиг.2) для заэвтектоидной стали с 1,2% С при охлаждении до температуры 950 К еще идет достаточно интенсивное выделение избыточного цементита, которое полностью прекращается при температуре ниже 725 К. Вместе с тем при температуре порядка 950 К время окончания изотермического распада аустенита на феррит и карбид еще достаточно мало и составляет порядка 1…1,5 минут, что практически не удлиняет время технологического процесса.
5
Как видно из С-образной кривой диаграммы (Фиг.2), в течение некоторого времени распад аустенита не фиксируется; он начинает распадаться с образованием более стабильных (при данной температуре) перлитов только по истечении инкубационного периода. Время начала распада зависит от температуры. При температуре фазового превращения Т=1000 К инкубационный период составляет несколько десятков часов, при более низкой температуре Т=870 К это время уменьшается до нескольких секунд. Время, необходимое для полного распада аустенита, зависит от температуры протекания процесса. При температуре фазового превращения Т=1000 К время окончания полного распада аустенита составляет порядка 10 с, а при температуре Т=870 К распад аустенита заканчивается за 20…30 с.
Для описания процесса перехода ферритно-цементитной структуры в аустенит пользуются L-образными диаграммами изотермического образования аустенита, описывающими скорость превращения при различных температурах протекания процесса (Фиг.3). Время, необходимое для образования аустенита в эвтектоидной стали, при температуре порядка Т=1000 К в соответствии с L-образной диаграммой достигает сотен минут, в то время как при повышении температуры до 1100 К этот процесс заканчивается уже через несколько секунд!
Так как фазовые превращения происходят немгновенно по всему объему, а достаточно постепенно (в зависимости от температуры процесса - точнее, в зависимости от степени перегрева или переохлаждения стали), а псевдожидкая волна полиморфного фазового превращения и при нагревании и при охлаждении перемещается с конечной скоростью с поверхности детали к его сердцевине, то, используя диаграмму образования аустенита при нагреве и диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита, можно определить время выдержки цементируемых деталей при экстремальных температурах, для того чтобы получить заданную толщину цементитного слоя. В целях увеличения скорости аустенизации нагретой стали скорость нагрева должна быль достаточно высокой. Так как полиморфное превращение α-Fe в y-Fe протекает быстрее, чем растворение цементита в аустените, поэтому в структуре стали после превращения феррита в аустенит сохраняется цементит, и для его растворения продолжительность изотермической выдержки должна быть увеличена.
Для гомогенизации аустенита также необходимо некоторое время. Температура при термоциклической цементации не должна превышать 1215 К. Высокая температура обеспечивает наряду с высокой скоростью диффузии углерода в сталь образование мелкодисперсных частиц карбидов, среднестатистический размер которых составляет 1,5…2,5 мкм, что очень важно для повышения однородности строения карбидной фазы, и как следствие, повышение эксплуатационных свойств цементированных изделий - повышается контактная прочность поверхности деталей. Вместе с тем высокие температуры процесса ведут к росту зерна. Наиболее заметен рост карбидных частиц при верхних температурах цикла выше 1250 К. Нагрев с температуры 285 К до 1200 К составляет 9 минут на каждый сантиметр минимального размера цементационного ящика (3 минуты на каждые 400 К). При достижении температуры 1025 К попавший в сталь атомарный углерод начинает перемещаться волной псевдожидкого металла с поверхности детали к его сердцевине.
Если необходимо уменьшить количество карбида железа в аустените, то необходимо, в соответствии с L-образной диаграммой (Фиг.3), сделать выдержку 3…5 минут при температуре 1200 К. В этом случае преобразование феррита в аустенит закончится полностью по всему сечению образца. Если транспорт углерода необходимо осуществить только в тонкий поверхностный слой сечения образца, то временная выдержка при температуре 1200 К не осуществляется. Если необходимо осуществить транспорт углерода в металл на 2-3 мм, то оптимальным будет вариант нагрева до температуры 1020 К с выдержкой при этой температуре 4…5 минут. Так как в этом случае полное превращение феррита в аустенит может произойти только за время порядка 16 минут, то за время экспозиции волна псевдожидкого полиморфного превращения, осуществляющая фазовый перенос и несущая с собой углерод, пройдет только четверть своего пути до сердцевины цементируемой детали. И если диаметр детали 20 мм, то за 4 минуты изотермическое образование аустенита закончится только в поверхностном 2-миллиметровом слое.
Так как скорость охлаждения в печи примерно равна скорости нагрева, то для ускорения процесса можно проводить охлаждение цементационной реторты на открытом воздухе, что ускорит процесс цементации изделия.
В соответствии с С-образной диаграммой (Фиг.2) при температуре 820 К время полного превращения составляет несколько секунд. Это значит, что волна псевдожидкого фазового перехода за это время пройдет все сечение металла и углерод с поверхности цементируемой детали будет почти равномерно распределен по всему ее сечению. Для того чтобы ограничить распространение волны фазового переноса, необходимо выбрать более высокую температуру, при которой время превращения составляет порядка десятков минут, тогда, выполнив определенную выдержку, можно получить проникновение волны фазового перехода только в часть сечения детали. По С-образной кривой определяем, что при температуре 960 К время полного полиморфного превращения γ-Fe в α-Fe составляет порядка 5 минут. Тогда для получения 2-миллиметрового цементитного слоя необходима выдержка при температуре 960 К в течение 1…1,5 минут.
При низких температурах реакция диспропроционирования смещена в сторону образования атомарного углерода, это благоприятно сказывается на количестве образовавшегося атомарного углерода, способного проникнуть в сталь, и способствует ускорению процесса цементации. Проведение всех этапов технологического процесса в оптимальных режимах позволяет сократить время цементации с 8…12 до 1,5 часов.
3
3
Пример. В соответствии с вышеизложенным была разработана методика цементации импульсным методом. Суть эксперимента заключалась в том, что стальные образцы из низкоуглеродистой стали в герметичных контейнерах с твердым карбюризатором подвергались импульсному воздействию электромагнитного поля с целью получения содержания углерода в поверхностном слое от 0,8 до 1,2%. В соответствии с диаграммой железо-углерод (Фиг.1) температура точки Ас составляет не ниже 1200 К, а Ar - не выше 1000 К. Верхний предел температурного интервала 1220 К устанавливаем по L-образной диаграмме (Фиг.3). В этом случае при выдержке при экстремальной температуре порядка 100 с произойдет гомогенизация аустенита. Нижний предел температурного интервала термоциклирования 950 К устанавливаем по С-образной диаграмме. В этом случае при выдержке при экстремальной температуре порядка 100 с произойдет изотермическое превращение аустенита. Выдержка при экстремальных температурах принимаем 5 минут для уверенного завершения процессов превращения. Варьировалось количество циклов и их длительность. Время цементации при любом из опытов не превышало полутора часов. Проникновение углерода в сталь осуществлено на всю глубину образца. Для получения содержания углерода в стали выше 0,8% необходимо провести более 3-х циклов нагрев-охлаждение. Оценка эффективности проведения эксперимента, осуществленная с помощью твердомера ТР 5006 - 02 показала увеличение твердости поверхности цементованных образцов, которая составила не менее HRC 65. Структура образцов после цементации представлена зернистыми перлитами, сорбитами, верхними бейнитами с содержанием углерода от 0,8 до 1,2%.
При термоциклировании в диапазоне 950…1200 К без выдержек при экстремальных температурах при 4-х циклах термоциклирования получена глубина цементитного слоя 0,1 мм при концентрации углерода 1%. При 9 циклах содержание углерода в поверхностном слое толщиной 0,4 мм достигает 1,00…1,2%.