Технология химико-термической обработки на машиностроительных заводах
Райцес В.Б.
Машиностроение, 1965 г.
Хромомарганцевые стали с титаном более склонны к пересыщению цементованного слоя углеродом, чем хромоникелевые, но вместе с тем в отличие от хромоникелевых эти стали менее склонны к образованию карбидной сетки и большого количества остаточного аустенита.
Сталь 18ХГТ может заменить сталь 12ХНЗА и 12Х2Н4А для деталей диаметром до 40—60 мм. Ограниченная прокаливаемость стали Ι8ΧΓΤ является ее недостатком. Следует также иметь в виду, что обрабатываемость резанием стали 18ΧΓΤ в отожженном состоянии значительно хуже, чем в нормализованном.
Сталь 30ХГТ отличается от стали 18ΧΓΤ только более высоким содержанием углерода. Это обусловливает ряд преимуществ стали 30ХГТ: лучшая обрабатываемость резанием, более высокая прокаливаемость и, как следствие, большая прочность сердцевины.
Цементованные детали, изготовленные из этой стали, можно подвергать изотермической закалке, что снижает закалочные напряжения и деформацию. Однако следует иметь в виду, что в случае коробления таких деталей после закалки правка их практически невозможна.
Хромомарганцевые стали с бором также находят применение в промышленности. Бор резко повышает прокаливаемость. Такое влияние бора уменьшается с повышением содержания углерода. С повышением температуры нагрева прокаливаемость сталей, содержащих бор, также уменьшается.
Бор способствует росту зерна стали при нагреве. Он вводится в сталь в очень небольшом количестве (0,002—0,005%). Цементуемые детали из стали, содержащей бор, можно закаливать в масле. Из этой группы сталей большое распространение имеет марка 20ХГР. Эта сталь обладает высокими механическими свойствами, не уступая хромоникельмолибденовой стали 20ХНМ. Проведены исследования, в которых установлено, что сталь 20ХГР можно применять вместо стали Ι2ΧН3А, что дает возможность экономить дефицитный никель.
Недостатком стали 20ХГР является склонность к пересыщению цементованного слоя углеродом и к деформации при закалке, что необходимо учитывать при разработке режима цементации.
Несмотря на широкое распространение хромомарганцевых сталей с добавками титана и бора (18ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР н некоторых других), эти композиции нельзя считать оптимальными, так как им присущи серьезные технологические недостатки [310].
Поиски более совершенных цементуемых сталей, привели к созданию новых, более сложных по составу марок. Так, например, сталь 20ХГНР содержит хром, марганец, никель и бор. Содержание никеля в этой марке невелико (0,8—1,1%). Особенностью этой марки является ее глубокая прокаливаемость, превосходящая аналогичную характеристику сталей 20ХНЗА, 20ХГР и др.
По механическим свойствам сталь 20ХГНР не только не уступает, но даже несколько превосходит такие марки, как 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20Х2Н4А [63].
Еще более сложная по составу сталь 15Х2ГН2ТРА, содержащая, кроме хрома и марганца, никель, титан и бор, применяется для ответственных деталей вместо сталей 12XН3А, 12Х2Н4А и 18Х2Н4ВА; эта сталь обладает высокой прокаливаемостью и малой чувствительностью к перегреву. Она несколько дороже, чем сталь 20ХГНР. Предложены безникелевые стали 20ХГВТ и 20ХГСВТ, которые могут заменить сталь 20ХН3А . Введение в такие стали кремния в пределах 0,7—1,1% препятствует карбидообразованию и пересыщению цементованного слоя углеродом. В этом отношении кремний может частично или полностью заменить никель [125].
В последние годы цементация начинает применяться не только для низкоуглеродпстых, но и для средне- и высокоуглеродистых и специальных сталей. Так, для цементуемых деталей станков используют сталь 40Х [185]. Имеется положительный опыт цементации пуансонов и матриц для холодной штамповки, изготовленных из стали ШХ15. При цементации этой стали в поверхностном слое выделяются глобулярные карбиды, а содержание углерода повышается до 2,5—3,0%. В результате после закалки сталь приобретает повышенную износостойкость и теплостойкость [141].
Высокохромистая нержавеющая сталь подвергается цементации с целью повышения ее твердости и износостойкости. Так, например, стали 1X13 и Х17 после закалки имеют твердость HRC 26—30, а после цементации и закалки HRC 60 и более . Это позволяет значительно повысить прочность и износостойкость деталей, работающих в коррозионной среде. Высокое содержание хрома обусловливает ряд особенностей цементации таких сталей. В цементованном слое образуется большое количество карбидов; содержание углерода в нем до 3%. Однако уменьшение общего содержания углерода ниже 1,8—2,0% вызывает соответственно уменьшение количества растворенного в аустените углерода ниже 0,5%, и в этом случае твердость после закалки получается ниже HRC58 [8]. Нередко наблюдается неравномерное насыщение слоя углеродом, особенно при цементации в твердом карбюризаторе .
Перед цементацией необходимо удалять с поверхности деталей оксидные пленки (травлением, пескоструйной обработкой). Для предотвращения возникновения таких пленок при нагреве в процессе цементации в твердом карбюризаторе можно применить обмазку деталей пастовым карбюризатором.