Проблемы машиностроения и надежности машин, 2019, № 2, стр. 84-90

Цементация – наиболее востребованный процесс упрочнения нагруженных деталей машин высокой эксплуатационной надежности. Одних только зубчатых колес для удовлетворения потребностей транспортных систем требуется упрочнять ежемесячно несколько сотен тысяч. Учитывая широкие масштабы промышленного использования цементации, даже незначительное ее совершенствование способно привести к заметному технико-экономическому эффекту [1–3].

Среди способов цементации [4, 5], способных оказать решающее влияние на прочность и надежность деталей машин, особое место занимает вакуумная цементация – цементация при низком (4…15 ГПа) давлении, функцию технологической атмосферы в которой выполняет ацетилен (С₂Н₂). Научные основы вакуумной цементации были разработаны в конце 70-х годов Крыловым В.С. [1, 6, 7]. В 1979 г. было получено авторское свидетельство на процесс вакуумной цементации в ацетилене, подтверждающий российский приоритет этого оригинального процесса. К сожалению, из-за отсутствия вакуумного оборудования в то время полученные результаты не были использованы для решения практических задач машиностроения.

Промышленное опробование процесса цементации в ацетилене выполнено в 1999 г. в Германии фирмой “Ipsen”. Было отмечено, что вакуумная цементация в ацетилене является последним достижением в области развития технологии науглероживания сталей промышленного назначения [8, 9]. Установленный комплекс достоинств вакуумной цементации в ацетилене стимулировал интенсивную разработку технологии и оборудования для этого процесса и их широкое практическое применение за рубежом [10–12].

С 2003 г. автоматизированные установки, обеспечивающие после науглероживания малодеформационную “сухую” закалку в потоке азота, стали производить многие зарубежные фирмы, особенно в Германии, Польши, США и Японии. Несколько таких установок приобретено российскими предприятиями, одна из которых польской фирмы “Seco/Warwick” установлена в Московском государственном университете им. Н.Э. Баумана. Таким образом, разработанный в России процесс вакуумной цементации возвратился из-за рубежа в виде автоматизированного дорогостоящего оборудования, но без технологии науглероживания. Возникает необходимость разработки технологии этого процесса с учетом особенностей механизма формирования диффузионного слоя и влияющих на этот механизм технологических факторов.

Технологические факторы вакуумной цементации. Исследования, представленные в работах [13, 14], показали, что технологическая атмосфера из ацетилена оказалась эффективной средой для качественного науглероживания деталей из низколегированных сталей марок 20ХНМ, 19ХГН, 20ХГР и др. (ГОСТ 4543), которые широко используют для деталей машин разных отраслей машиностроения.

Скорость адсорбцо-диссоционных процессов в атмосфере ацетилена настолько велика, что уже в первые минуты поверхность металла заполняется атомами углерода. На насыщаемой поверхности образуется почти сплошной углеродный слой. В таких условиях наилучшим способом проведения насыщения является циклическое чередование активных стадий (стадий насыщения), при которых ацетилен поступает в вакуумную камеру, и пассивных стадий, при которых ацетилен в камеру не подается.

Результаты металлографических исследований (рис. 1) показывают, что после подачи ацетилена в течение 3 или 5 минут поверхность стали покрывается тонким углеродным слоем в виде сажистого углерода и углеродных пленок (рис. 1а, 1б). После десятиминутной пассивной (диффузионной) стадии углеродный слой практически полностью растворяется (рис. 1г), обогащая твердый раствор стали. В следующих циклах процессы повторяются – углеродный слой возобновляется на активной стадии цикла и частично или полностью растворяется на пассивной стадии. Важно, что образование углеродного слоя не прекращает диссоциацию ацетилена. От цикла к циклу углеродный слой утолщается (рис. 1в).

Рис. 1.

Структура поверхности стали 20ХГР после вакуумной цементации (t_ц = 940°С): (а) – насыщение 3 мин; (б) – насыщение 5 мин; (в) – насыщение 5 мин, рассасывание 10 мин и насыщение 5 мин; (г) – насыщение 5 мин, рассасывание 10 мин, насыщение 5 мин и рассасывание 10 мин; ×840.

Образование химически активного сажистого углерода создает на начальной стадии насыщения в тонком науглероживаемом слое высокий градиент концентрации, обеспечивая высокий диффузионный поток J = D(${{\partial С } \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial С } {\partial x}}} \right. \kern-0em} {\partial x}}$) и ускорение формирования слоя. Исследования показывают, что после науглероживания стали 20ХГР при температуре 940°С в течение двух минут толщина цементованного слоя составляет 0.12 мм, а концентрация углерода в аустените в его приповерхностной зоне составляет 0.59%. По мере науглероживания градиент концентрации уменьшается и скорость роста слоя снижается. Средняя скорость роста цементованного слоя составляет 0.15…0.25 мм/ч, что примерно в 1.5 раза выше, чем при обычной газовой цементации; продолжительность науглероживания для формирования слоя толщиной 0.8…1.0 мм составляет 5.0…6.5 ч.

С отмеченным достоинством необходимо учитывать важную особенность вакуумной цементации. Она заключается в том, что углеродный слой из 100% С не определяет углеродный потенциал газовой среды. Согласно [15], углеродный потенциал (активность атмосферы) – величина концентрации углерода, устанавливающейся на поверхности металла при достижении равновесия с газовой средой. Этот слой выполняет функцию посредника в передаче углерода из газовой среды на насыщаемую поверхность. Газовая среда всегда находится вдали от равновесия с насыщаемой поверхностью. Ее углеродный потенциал (термодинамическая активность) многократно превышает активность углерода в твердом растворе и, как следствие, требуемую концентрацию углерода на поверхности стали. В этих условиях углеродный потенциал газовой среды теряет свойство фактора контроля и управления процессом науглероживания. При такой особенности возникают трудности в обеспечении заданной насыщенности диффузионного слоя углеродом. Процесс приходится контролировать по технологическим факторам, оптимальные значения которых необходимо устанавливать экспериментальным путем.

При проведении вакуумной цементации технологические факторы разделяют на две группы: условно постоянные – температура, давление, расход ацетилена, поддерживаемые в процессе насыщения на постоянном уровне; управляющие – время диффузионного насыщения и режим циклической подачи ацетилена.

Температура – важный технологический фактор, диапазон выбора которой достаточно широк: от 880 до 980°С. При повышении температуры сокращается продолжительность процесса, но возможно укрупнение зерна, повышение хрупкости цементованного слоя. Для легированных сталей, являющихся природномелкозернистыми, допустимо проведение насыщения при температурах 920…940°С.

Давление в пределах 5…15 ГПа по результатам науглероживания не оказывает влияния на степень и скорость заполнения поверхности атомами углерода и, как следствие, на кинетику науглероживания.

Расход ацетилена должен обеспечивать заданную насыщенность цементованного слоя с учетом площади насыщаемой поверхности. Его определяют достаточно приблизительно на основе сравнения фактического (поступающего) объема газа и расчетного (требуемого). Расчеты показывают, что коэффициент полезного использования углеводорода составляет 50%. Что свидетельствует о достаточно высоком КПД процесса. Расход ацетилена в 0.5 м³/ч достаточен для обработки садки деталей с площадью насыщаемой поверхности не менее 10 м².

Основная задача при разработке режимов вакуумной цементации сводится к определению временнóго режима подачи ацетилена.

Время науглероживания τ – назначают в зависимости от требуемой эффективной толщины цементованного слоя h_эф (слоя с C ≥ 0.4%), используя известное соотношение: ${{h}_{{{\text{э ф }}}}} = k\sqrt \tau $, где k – кинетический коэффициент, определяемый экспериментально. Установлено, что для исследуемой группы сталей k = 0.42…0.43. Для формирования слоя с эффективной толщиной 1,0 мм требуется время диффузионного насыщения τ = (h/k)² = (1.0/0.43)² ≈ 5.4 ч (324 мин).

При выбранной температуре процесса и времени науглероживания результат обработки определяет временнóй режим циклической подачи ацетилена, параметрами которого являются: время активной стадии цикла τ_а; время пассивной (диффузионной) стадии цикла τ_п; суммарное время активных стадий циклов Στ_а; суммарное время пассивных стадий циклов Στ_п; число циклов n.

На практике применяют две схемы режима подачи ацетилена: простую или периодическую: n(τ_а/τ_п), например, 20(4/12); сложную или апериодическую: n₁(τ_а1/τ_п1) + + n₂(τ_а2/τ_п2), например, 10(5/10) + 5(5/30).

Следует особенно подчеркнуть, что при определении временнóго режима подачи ацетилена важно учитывать изменение строения углеродного слоя. Анализ показывает, что при температурных условиях вакуумной цементации на насыщаемой поверхности способны образовываться сажистый углерод (аморфная форма) и пироуглерод в виде частично кристаллических форм – базисных лент и турбостратных плоских кристаллов (пакетов). Согласно [15, 16] базисные ленты состоят из углеродных слоев в виде гексагональных сеток с большим межатомным расстоянием между ними. Турбостратные плоские кристаллы имеют более высокую структурную организацию в виде слоев гексагональных сеток без трехмерной упорядоченности.

Можно считать, что в начале процесса на поверхности образуется полислой сажистого углерода, который легко растворяется в металле. В дальнейшем в период активных стадий выделяются новые порции сажи, из которой образуются частично кристаллические формы углерода с низкой каталитической активностью и более трудно растворимые в металле. Развитие подобных процессов характеризует изменение строения углеродного слоя (рис. 1).

Исходя из отмеченных особенностей можно сделать вывод, что для обеспечения высокой скорости диффузионного насыщения, целесообразно назначать малое время активной стадии (τ_а от двух до пяти мин) с тем, чтобы образовавшийся на поверхности углеродный слой в основном состоял из аморфной составляющей, поэтому практически полностью растворялся на диффузионной стадии цикла.

Такой вывод подтверждают результаты диффузионного насыщения в виде концентрационных кривых, полученных при послойном анализе науглероженных образцов из стали 20ХГР. Вакуумная цементация образцов проведена при температуре 940°С в течение 300 мин. Применяли три варианта временнóго режима подачи ацетилена (рис. 2).

Рис. 2.

Распределение концентрации углерода по толщине h диффузионного слоя стали 20ХГР после вакуумной цементации (940°С, 300 мин) при постоянном отношении τ_а/τ_п = 1:5 и разном времени активной стадии: 1 – τ_а = 2 мин; 2 – τ_а = 5 мин.

В первом варианте использовали два режима циклической подачи ацетилена с одинаковым отношением τ_а/τ_п = 1:5. Из сравнения концентрационных кривых на рис. 2 следует, что при циклической подаче ацетилена по режиму 25(2/10) насыщенность углеродом слоя выше, чем при обработке по режиму 10(5/25).

Есть основания предполагать, что науглероживание при малом времени активной стадии насыщения (τ_а = 2 мин), образовавшийся на поверхности углеродный слой успевает растворяться за последующие 10 минут диффузионной стадии цикла. При длительности активной стадии 5 мин и диффузионной стадии 25 мин насыщенность диффузионного слоя заметно меньше. Вероятная причина – образование на поверхности более толстого углеродного слоя, преимущественно состоящего из частично кристаллической формы углерода.

Во втором варианте экспериментов время активной стадии было ограничено двумя минутами. Оценивали влияние времени диффузионной стадии, и как следствие отношение продолжительности стадий циклов τ_а/τ_п, которое составляло 1:3; 1:5 и 1:10. Использовали режимы 38(2/6); 25(2/10); 14(2/20). Как следует из рис. 3, наиболее насыщенным формируется слой при отношении длительности стадий τ_н/τ_д = 1:3 и наибольшем числе циклов. Возможно, что на каждом цикле шести минут оказывается достаточным для полного растворения тонкого углеродного слоя из аморфной составляющей.

Рис. 3.

Распределение концентрации углерода по толщине h диффузионного слоя стали 20ХГР после вакуумной цементации (940°С, 300 мин) при постоянном времени активной стадии τ_а = 2 мин и разном отношении τ_а/τ_п: 1 – 1:3; 2 – 1:5; 3 – 1:10.

Третий вариант экспериментов проводили при сложных (апериодических) режимах циклической подачи ацетилена. Использовали режимы, в которых общее количество циклов было разбито на 2 или 3 группы, например, 18(2/6) + 7(2/20); 15(2/4) + + 13(2/8) + 5(2/14); 9(5/10) + 5(5/20) + 1(5/35); (всего 15 вариантов с разным количеством циклов и продолжительностью стадий).

Назначение первой группы циклов – обеспечить активное науглероживание приповерхностной зоны слоя; второй и третьей групп – создать условия для диффузионного отвода углерода от поверхности.

Анализ полученных концентрационных кривых углерода показал:

1. Время активных стадий τ_а как и при простых циклах целесообразно принимать равным от 2 до 5 мин.

2. Предпочтительны сложные циклы, содержащие 3 последних цикла с увеличенной стадией диффузии τ_д. Они обеспечивают распределение концентрации углерода с горизонтальной площадкой в приповерхностной части диффузионного слоя.

3. Основным управляющим параметром сложного циклического режима может служить суммарное время стадий насыщения Στ_а, от величины которого зависит отношение продолжительности стадий Στ_а:Στ_д. Режимы циклирования при значениях Στ_а от 66 до 70 (отношением Στ_а:Στ_д, близким к 1:3) обеспечивают за время насыщения τ_общ = 300 мин требуемые параметры цементованного слоя: С_пов = 0.80…0.90%, h_эф = = 0.85…0.90 мм. Вид концентрационных кривых подобен приведенным на рис. 2 и 3.

Комплекс достоинств вакуумной цементации указывает на то, что новый процесс перспективен для широкого использования в производстве цементуемых деталей, имеющих массовое промышленное применение и отвечающих за надежность, безопасность и долговечность машин и механизмов [17, 18].