Tepelné zpracování po nauhličování, kalení a nízkoteplotní temperování – Technologický proces zpracování ozubených kol z oceli 12ХН3А

Oceli pro nauhličování a nitrokarburizaci Cementování a nitrokarburizace jsou vysoce účinné a cenově dostupné procesy, a proto našly široké uplatnění v průmyslu. Cementace je proces difúzního nasycení povrchu výrobku uhlíkem na eutektoidní nebo hypereutektoidní koncentraci. Cementování se provádí nad bodem A₃ v austenitické oblasti. Teplotní rozsah pro nauhličování je obvykle 930–960 ºС. Existují pozitivní zkušenosti s používáním vysokoteplotního nauhličování při 980–1050 ºС pro některé legované oceli. Současně se výrazně urychlí proces cementování díky zvýšení koeficientu difúze uhlíku, ale zároveň roste zrno austenitu a zvyšuje se deformace dílů. Pro vysokoteplotní nauhličování je proto nutné používat oceli s vlastní jemnozrnností nebo legovat ocel prvky, které zpomalují růst austenitového zrna při ohřevu (Ti, V). Optimální obsah uhlíku v povrchové vrstvě je 0,8–1,0 %, ale lze jej zvýšit pro zvýšení kontaktní odolnosti.
až 1,1–1,2 %. Hloubka tmelené vrstvy je 0,6–2,5 mm v závislosti na velikosti a provozních podmínkách výrobků. Ovlivňuje především kontaktní vytrvalost a únavovou pevnost. Pokud je tloušťka vrstvy malá, materiál se protlačí, zatímco pokud je velká, únavová pevnost produktu se sníží. Cementování se provádí v pevných, kapalných a plynových karburátorech. Cementace plynem je nejčastější. Ozubená kola, nápravy, ozubená kola, hřídele, měřicí přístroje atd. se podrobují cementování (nitrocementování). Po cementaci se nejvýrazněji zvyšuje tvrdost a odolnost povrchových vrstev výrobku proti opotřebení, kontaktní odolnost a únavová pevnost. Současně musí být jádro výrobku měkké a pružné, což poskytuje potřebnou strukturální pevnost. Oceli používané pro nauhličování musí zajistit: získání požadované úrovně vlastností, dostatečnou prokalitelnost (zejména u dílů s velkým průřezem), dobrou obrobitelnost pod tlakem a řezáním, minimální rozměrové změny a minimální deformaci při kalení a cenově výhodné legování. Nízkouhlíkové oceli s obsahem uhlíku 0,08–0,25 % jsou podrobeny nauhličování, které zajišťuje výrobu viskózního jádra. U některých vysoce zatížených dílů může být obsah uhlíku v oceli zvýšen na 0,35 %. S rostoucím obsahem uhlíku v oceli se hloubka cementové vrstvy zmenšuje, zvyšuje se pevnost a klesá viskozita jádra. Legující prvky ovlivňují vlastnosti jádra, prokalitelnost, rychlost procesu nauhličování, hloubku nauhličované vrstvy, koncentraci uhlíku v povrchové vrstvě a také strukturu vrstvy a zrnitost. Vliv legujících prvků na hloubku vrstvy je dán jednak vlivem na hodnotu difúzního koeficientu uhlíku v austenitu a jednak velikostí gradientu koncentrace uhlíku na průřezu difúzní vrstvy, který závisí na maximálním obsahu uhlíku v povrchové vrstvě. Nekarbidotvorné prvky jako Ni, Si, Co urychlují difúzi uhlíku v austenitu. Tyto prvky zároveň snižují rozpustnost uhlíku v austenitu a tím snižují maximální obsah uhlíku v povrchové vrstvě. Křemík nejsilněji urychluje difúzi uhlíku v austenitu a snižuje obsah uhlíku v cementované vrstvě. Při vyšších teplotách (1000, 1100 ºС) však Si snižuje difúzní koeficient uhlíku v austenitu. Karbidotvorné prvky zpravidla snižují difúzní koeficient uhlíku v austenitu. Například u oceli s 1,2 % Si a 1 % legujícího prvku při teplotách odpovídajících rozsahu nauhličení je pozorováno zpomalení difúze uhlíku při legování v následujícím pořadí: Mn, Mo, V, W, Cr. Karbidotvorné prvky zvyšují maximální koncentraci uhlíku v povrchové vrstvě oproti nelegované uhlíkové oceli, což je spojeno s intenzivní tvorbou karbidu v povrchové vrstvě (obrázek 3.2.). Hloubka difúzní vrstvy závisí v mnohem větší míře na maximální koncentraci uhlíku v povrchové vrstvě než na difúzním koeficientu uhlíku v austenitu. Legování nekarbidotvornými prvky proto snižuje hloubku cementované vrstvy, zatímco legování karbidotvornými prvky ji zvyšuje (obrázek 3.3). Cementované oceli jsou legovány komplexními karbidotvornými a nekarbidotvornými prvky: Cr, Mn, Ni, Si atd. Cr, Mn, Si zvyšují prokalitelnost a zpevňují α-pevný roztok, tzn.

Doporučené materiály

Maran softwarové inženýrství
Softwarové inženýrství
Technický úkol
Inženýrská grafika
JAKÉKOLI cvičení v Synergy!
Žádná položka
6000 4590 rublů.
Pomozte s uzavřením celého semestru!
Informatika
18990 15990 rublů.

Bór výrazně zvyšuje prokalitelnost, přidává se v množství 0,001–0,005 %. Nikl nejen zvyšuje prokalitelnost, ale také zvyšuje rázovou houževnatost cementované vrstvy a jádra a snižuje práh křehkosti za studena. Je to však drahý a nedostatkový prvek, proto se do oceli zavádí pouze u silně zatížených dílů. Za účelem zjemnění zrna se zavádí vanad a titan (0,06–0,12 % V; 0,03–0,09 % Ti). Tyto prvky zpomalují růst austenitových zrn při ohřevu a umožňují přímé kalení z nauhličovacího ohřevu bez rekrystalizace. Přídavky molybdenu do 0,3–0,5 % do chromniklových a chrommanganových ocelí zvyšují prokalitelnost. Zavedení křemíku do chromniklových cementovaných ocelí umožňuje zvýšit jejich odolnost proti rázové únavě snížením hloubky hypereutektoidní zóny a zvýšením množství karbidů. Pro nauhličování se používají jak vysoce kvalitní konstrukční uhlíkové oceli (GOST 1050–74), tak legované oceli (GOST 4543–71). Uhlíkové oceli (08, 10, 15, 20 atd.) se používají pouze pro málo zatížené díly s pracovním průřezem do 15–25 mm, pracující převážně pod opotřebením. Nízkolegované oceli jakostí 15X, 20X, 15G, 15HF, 20XM a dalších se používají pro více zatížené díly s pracovním průřezem do 35 mm. Vysokopevnostní legované oceli 20KhGR, 12KhN2, 20KhNM, 20KhGM atd. jsou určeny pro výrobu dílů s průřezem do 50–75 mm, pracujících při vysokém měrném zatížení. Do této skupiny patří také oceli 18KhGT, 25KhGT, 20KhGNTR a další, mikrolegované titanem. U těchto ocelí je růst austenitových zrn při nauhličování inhibován karbidy titanu. Pro silně zatížené masivní díly s průřezem do 100–120 mm, kdy je třeba kombinovat vysokou povrchovou tvrdost s vysokou houževnatostí jádra, se používají vysoce legované chromniklové oceli typů 20ХНЗА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18Х2Н4 Kvůli nedostatku niklu jsou však oceli se zvýšeným obsahem niklu nahrazovány nízkoniklovými (například oceli 18KhGSN2MA a 18KhGSN2MVА se používají místo ocelí 18Kh2N4VA a 20Kh2N4A a ocel 14KhGSN2MA místo 12A3KNhA). Tepelné zpracování výrobků po nauhličení spočívá v kalení a nízkoteplotním popouštění. U dílů vyrobených z jemnozrnných ocelí legovaných titanem nebo vanadem lze ke snížení množství zbytkového austenitu a deformace použít přímé kalení z nauhličovacího ohřevu s chlazením na 12–2 ºС. Díly vyrobené z uhlíkové nebo nízkolegované oceli, u kterých je během procesu nauhličování pozorován růst zrna, se po nauhličování vytvrdí přihřátím na teplotu 4–840 °С (neúplné vytvrzení). V tomto případě je zrno v cementované vrstvě rozdrceno, ale ferit v jádru zůstává hrubozrnný (nerekrystalizovaný). U kritických dílů se po nauhličení provádí dvojité kalení. Při prvním kalení (normalizace) s ohřevem na 860–760 ºС (nad Ac₃ jádro) se odstraní cementitová síť a zrno v jádře se rozdrtí. Při druhém kalení s ohřevem nad Ac₁ (760–800 ºС) se zrno mele v povrchové vrstvě. Vysoce legované chromniklové oceli typu 18Х2Н4ВА si po kalení zachovávají velké množství zbytkového austenitu. Proto se po nauhličení s chlazením na vzduchu nebo v řízené atmosféře používá vysoké temperování na 640–660 ºС, 4–6 hodin. V tomto případě se ze zbytkového austenitu uvolňují karbidy a dochází k jejich koagulaci. Poté, při zahřátí na 780–800 ºС během následného kalení, se malá část karbidů rozpustí v austenitu, bod martenzitu stoupá a po kalení množství zbytkového austenitu klesá. Po vytvrzení se vždy provádí nízkoteplotní popouštění při 180–200 ºС, aby se snížila zbytková napětí. V legovaných ocelích se po nauhličování a kalení kromě martenzitu a karbidů vyskytuje i zbytkový austenit, jehož množství může být značné. V malých množstvích může být zbytkový austenit v nauhličované vrstvě dokonce užitečný, protože Současně se zvyšuje plasticita a zejména rázová houževnatost, ale při vysokých obsazích výrazně klesá tvrdost oceli, proto se u vysokolegovaných cementačních ocelí za účelem snížení množství zbytkového austenitu provádí po kalení před popouštěním zpracování za studena. Po tepelném zpracování je ve struktuře povrchové vrstvy temperovaný jemnojehličkový martenzit, sekundární karbidy a malé množství zbytkového austenitu. Jádro legovaných ocelí má mikrostrukturu z temperovaného nízkouhlíkového martenzitu nebo bainitu. Tvrdost povrchové vrstvy HRC 60–62, tvrdost jádra
HRC 30–40. Z důvodu nedostatku niklu jsou vyvíjeny bezniklové cementační oceli typu 15KhG2MF a také oceli s částečnou náhradou niklu manganem (typ 20KhGNMF). Vzhledem k tomu, že vanad a titan jsou drahé prvky, jsou nahrazeny kombinací dusíku a hliníku (například 25ХГНМАЮ). V poslední době vznikají místo cementačních ocelí s obsahem niklu nízkouhlíkové cementační manganové oceli s metastabilním austenitem typu 08G(4–16)TYu. Tyto oceli vytvářejí austenitickou strukturu vyztuženou karbidy. Během procesu deformace se metastabilní austenit přeměňuje na deformační martenzit, čímž se dosahuje vysoké odolnosti proti opotřebení za podmínek abrazivního a rázově abrazivního působení. Dalším novým směrem je vytváření precipitačně kalitelných ocelí, které mohou pracovat při zvýšených teplotách. Často se místo cementace provádí nitrokarburizace – současné nasycení povrchu výrobku uhlíkem a dusíkem v plynném prostředí. Nasycení se provádí ve stejných plynných prostředích jako při cementaci (v endoplynu s přídavkem zemního plynu nebo metanu), ale s přídavkem malého množství (1–5 %) čpavku. Výhody nitrokarburizace ve srovnání s plynovým nauhličováním souvisí s možností provádět proces nasycení při nižší teplotě (830–860 ºС), přičemž rychlost nasycení zůstává téměř stejná jako u plynového nauhličování při 930 ºС. To se vysvětluje zvýšením rychlosti difúze uhlíku v přítomnosti dusíku. Snížení teploty nasycení umožňuje oceli zachovat si jemná austenitová zrna a provádět přímé kalení (z teploty nasycení nebo s chlazením na 800–820 ºС), což snižuje deformaci součástí během kalení. Použití nižších teplot ohřevu při nitrokarbonizaci také zvyšuje životnost zařízení pece. Kromě toho se během nitrokarburizace v důsledku tvorby rozptýlených karbonitridů v difúzní vrstvě zvyšuje odolnost oceli proti opotřebení, tepelná odolnost a odolnost proti korozi; Pevnosti ekvivalentní pevnosti cementovaných dílů je dosaženo při menších tloušťkách vrstvy. Legováním tuhého roztoku dusíkem se snižuje kritická rychlost kalení, což vytváří podmínky pro použití stupňovitého kalení. Postupné kalení se provádí v horkém oleji při teplotě 120–180 ºС. Krokové kalení snižuje deformaci a stabilizuje rozměry dílů snížením teplotního napětí. Po vytvrzení se provádí nízkoteplotní popouštění. Tloušťka vrstvy při nitrokarbonizaci je 0,2–0,8 mm. Při tloušťce vrstvy přesahující 1 mm se v difuzní vrstvě objevují strukturální vady, které prudce snižují pevnost dílů. Pro nitrokarburizaci se používají stejné oceli jako pro cementaci, ale s vyšším obsahem uhlíku (25KhGT, 30KhGT, 25KhGM atd.) pro zvýšení pevnosti jádra. Ten eliminuje mačkání tenké difúzní vrstvy. Struktura povrchové vrstvy by měla být tvořena jemně jehličkovitým martenzitem s jednotlivými rozptýlenými částicemi karbonitridů, dusíkatého cementitu, karbidů a nitridů legujících prvků a značným množstvím zbytkového austenitu. Dusík snižuje teplotu martenzitické transformace (každých 0,1 % dusíku ji snižuje o 18,5 ºC), proto může nitrokarbonizovaná vrstva legovaných ocelí obsahovat až 40–45 % zbytkového austenitu, ale zároveň je zajištěna vysoká únavová pevnost a kontaktní odolnost. Otázky pro sebeovládání 1. Co je nauhličování a nitrokarburování? 2. Jaké jsou požadavky na oceli pro cementování a nitrokarbonizaci? 3. Jakou roli hrají legující prvky v těchto ocelích? 4. Jaký vliv mají legující prvky na rychlost procesu nauhličování, hloubku nauhličované vrstvy a koncentraci uhlíku v povrchové zóně? 5. Jaké oceli se používají pro nauhličování a nitrokarbonizaci? 6. Jaké je tepelné zpracování ocelí po nauhličování a nitrokarbonizaci? 7. Jaké jsou výhody nitrokarburizace oproti cementaci? Hodit se vám může i přednáška „11 nádorů nervové soustavy“. 8. Jaké jsou moderní trendy ve vytváření cementačních ocelí? Literatura 1. Goldstein M.I. Speciální oceli /M.I. Goldstein, S.V. Grachev, Yu.G. Wexler. – M.: MISIS. – 1999. – 408 s. 2. Ljachovič L.S. Speciální oceli: Učebnice. manuál pro univerzity / L.S. Ljachovič. – Minsk: Vyšší. shk., 1985. – 208 s. 3. Chemicko-tepelné zpracování kovů a slitin: Příručka / G.V. Borisenok, L.A. Vasiliev, L.G. Voroshnin a další. – Moskva: Metalurgie, 1981. – 424 s. 4. Vliv tepelného zpracování na fázové složení, strukturu a vlastnosti cementovaných nízkouhlíkových manganových ocelí / L.S. Malinov // Hutní a těžební průmysl. – 2000. – č. 3. – S.40–48.

Doporučené přednášky

• 1 Obsah
• 4 Distribuce léčiv v těle
• 5 Hygiena žen v období puberty
• 5 Regulační dokumenty upravující kvalitu a bezpečnost potravinářských výrobků
• 11 Nádory nervového systému

Pro získání daného souboru mechanických vlastností po nauhličení je nutné dodatečné tepelné zpracování dílů.

V závislosti na pracovních podmínkách a také na oceli zvolené pro výrobu součásti se způsob tepelného zpracování zpevňování může lišit. U silně zatížených třecích částí strojů, které za provozních podmínek podléhají dynamickému zatěžování, je v důsledku tepelného zpracování nutné získat nejen vysokou povrchovou tvrdost, ale také vysokou pevnost (např. u ozubených kol – vysoká pevnost v ohybu) a vysokou rázovou houževnatost. Pro zajištění specifikovaných vlastností je nutné získat jemné zrno jak na povrchu součásti, tak v jádře. V takových kritických případech jsou cementované díly podrobeny složitému tepelnému zpracování, které se skládá ze dvou po sobě jdoucích kalení a nízkého popouštění.

Při prvním kalení se díl zahřeje na teplotu o 30-50 °C vyšší než je teplota Jako_Zach cementační ocel. Při takovém ohřevu dojde k ustavení austenitického stavu v celém objemu dílu (obr. 3). Zahřívání na teploty jen mírně vyšší Jako_Zach, způsobuje rekrystalizaci jádra součásti za vzniku jemných zrn austenitu, která zajistí jemnozrnné produkty rozkladu. Při teplotě t3, jak je vidět na obrázku 3, přechází celá difúzní vrstva do austenitického stavu, proto se pro zabránění vysrážení cementitu provádí vytvrzování.

Při druhém kalení se díl zahřeje na teplotu t_Zak2 se zvýšením teploty o 30-50 °C Ac_t (obr. 3). Během procesu ohřevu se martenzit získaný prvním kalením popouští, což je doprovázeno tvorbou globulárních karbidů, které se po neúplném kalení v určitém množství zadržují v povrchové hypereutektoidní části vrstvy a zvyšují její tvrdost. Druhé kalení také zajišťuje jemné zrno v nauhličované vrstvě.

Obrázek 7 – Režim tepelného zpracování pro kritické strojní součásti po nauhličení: / — nauhličování; II – dvojité kalení; /// — nízká dovolená

Operace konečného tepelného zpracování je nízké popouštění při 160-200° C, což snižuje zbytková pnutí a nesnižuje tvrdost oceli (obr. 7).

Po dvojitém kalení a nízkém popouštění získává povrchová vrstva strukturu popouštěného martenzitu s vměstky globulárních karbidů. Struktura jádra součásti závisí na legování oceli. Protože se pro nauhličování volí legovaná ocel, v závislosti na množství legujících prvků může jádro získat strukturu bainitu nebo nízkouhlíkového martenzitu. Ve všech případech bude díky nízkému obsahu uhlíku zajištěna dostatečně vysoká rázová houževnatost.

Kalení a nízkoteplotní temperování

Díl je chlazen v kalícím médiu (olej) s teplotou nad martenzitickým bodem. Při ochlazování a udržování v tomto prostředí musí kalený díl na všech místech řezu získat teplotu kalící nádrže. Následuje konečné, obvykle pomalé ochlazování, při kterém dochází ke vzniku struktury, tedy přeměně austenitu na martenzit. Rozdělením chlazení do dvou stupňů se sníží vnitřní pnutí prvního druhu, a proto se sníží i deformace kalením.

Při postupném kalení se provádí tzv. rovnání nebo rovnání, to znamená, že odpadá zborcení způsobené tepelným pnutím při prvním prudkém ochlazení.

Kalení je konečná operace tepelného zpracování dílů, která nakonec formuje jeho vlastnosti.

Hlavním cílem popouštění je snížit nebo úplně odstranit vnitřní pnutí a snížit křehkost kalené oceli. Nízkoteplotní temperování zahrnuje ohřev na teplotu pod 250 °C. Struktura po takové úpravě sestává z temperovaného nízkouhlíkového martenzitu.

Kalení a popouštění se provádí v komorové mechanizované peci СНЦ_5.10•3,2/10 (obr. 5).