Карбанитрование: улучшенная закалка поверхности для превосходных характеристик стали

Table Of Content

Table Of Content

Определение и Основная концепция

Карбонизация и нитронизация — это термохимический процесс закалки поверхности, при котором одновременно диффундируют углерод и азот в поверхностный слой железных материалов при повышенных температурах. Эта техника случайной закалки создает твердое покрытие с улучшенной износостойкостью, усталостной прочностью и твердостью поверхности, при этом сохраняя прочное и пластичное ядро. Процесс проводится в атмосфере, богатой углеродом и азотом, обычно при температурах от 700 до 900°C (1300-1650°F).

Карбионизация и нитроцеремизация представляет собой важный вариант классической цементации, предлагающий ряд преимуществ, таких как более низкие температуры обработки, меньшая длительность цикла и улучшенные свойства поверхности. Добавление азота к традиционному процессу цементации создает более сложную диффузионную зону с уникальными металлургическими характеристиками.

В рамках более широкой области металлургии карбонизация и нитроцеремизация относится к семейству термохимических диффузионных обработок наряду с цементацией, нитроцеремизацией, нитроцементацией и боронизацией. Она занимает стратегическое место между цементацией и нитроцеремизацией, сочетая полезные аспекты обеих процессов и устраняя некоторые ограничения каждой из них.

Физическая природа и теоретические основы

Механизм физического процесса

На атомарном уровне карбонизация и нитроцеремизация включают одновременную диффузию атомов углерода и азота в кристаллическую решетку железа в стали. Эти межпоследовательные атомы занимают октаэдрические позиции в структуре аустенита с объемным центром при высокой температуре обработки. Наличие и углерода, и азота создает более сложную зону диффузии, чем при наличии только одного элемента.

Механизм диффузии в основном контролируется градиентами концентрации и температурной зависимостью подвижности атомов. Атомы азота диффундируют быстрее, чем атомы углерода в аустените из-за меньшего радиуса атома. Эта разница скоростей диффузии создает характерный профиль концентрации: азот проникнет глубже на начальных этапах, но углерод в конце достигает большего глубины закалки в большинстве применений.

Совмещение азота и углерода стабилизирует фазу аустенита при более низких температурах, чем при наличии только углерода, что позволяет снизить температуру обработки по сравнению с традиционной цементацией. При охлаждении аустенит, богатый углеродом и азотом, превращается в различные фазы, включая мартенсит, сохраняющийся аустенит и сложные карбониды.

Теоретические модели

Основная теоретическая модель, описывающая карбонизацию и нитроцеремизацию, основана на законах диффузии Фика, особенно на втором законе, который описывает изменения концентрации во времени. Эта модель учитывает одновременную диффузию нескольких межпоследовательных элементов с разными коэффициентами диффузии.

Исторически понимание карбонизации развивалось от ранних эмпирических наблюдений 1920-х годов к более сложным моделям на основе диффузии в 1950-х и 1960-х годах. Современные вычислительные методы включают кинетику фазовых превращений вместе с диффузионными уравнениями.

Различные теоретические подходы к моделированию карбонизации включают аналитические решения упрощенных диффузионных уравнений, численные методы для сложных геометрий и термодинамико-кинетические модели. Метод CALPHAD (расчет диаграмм фаз) становится все более важным для прогнозирования образования фаз во время карбонизации.

Основы материаловедения

Карбонизация и нитроцеремизация прямо влияют на кристаллическую структуру стали, вводя межпоследовательные атомы углерода и азота, искажающие решетку железа. Эти искажения создают укрепление за счет твердого раствора и способствуют образованию сложных соединений — карбонидов и нитридов, содержащих и углерод, и азот, связанные с железом или легирующими элементами.

Процесс значительно изменяет микроструктуру на поверхности и вблизи нее, создавая градиент фаз от закалки к сердцу. Типичные микрообразцы включают мелкий мартенсит, сохраняющийся аустенит и дисперсные карбониды рядом с поверхностью, переходящие в исходную структуру внутри объекта.

Основные принципы материаловедения, управляющие карбонизацией и нитроцеремизацией, включают диффузию в твердом состоянии, кинетику фазовых превращений, закрепление за счет осаждения и укрепление за счет твердого раствора. Синергическое взаимодействие углерода и азота создает уникальные свойства, недостижимые при использовании каждого элемента по отдельности.

Математические выражения и методы расчетов

Базовая формула определения

Глубина диффузии при карбонизации и нитроцеремизации можно оценить по модифицированному уравнению диффузии:

$$x = k \sqrt{D t}$$

где:
- $x$ — эффективная глубина закалки (мм)
- $k$ — постоянная, зависящая от процесса
- $D$ — эффективный коэффициент диффузии (мм²/ч)
- $t$ — время обработки (ч)

Связанные формулы расчетов

Эффективный коэффициент диффузии углерода в аустените в процессе карбонизации и нитроцеремизации можно определить по уравнению Аррениуса:

$$D_C = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

где:
- $D_C$ — коэффициент диффузии углерода (мм²/ч)
- $D_0$ — предпоказатель (мм²/ч)
- $Q$ — энергия активации (Дж/моль)
- $R$ — универсальная газовая постоянная (8.314 Дж/моль·К)
- $T$ — абсолютная температура (К)

Профиль концентрации углерода можно оценить, используя решение уравнения Фика второго закона через функцию ошибки:

$$C(x,t) = C_s - (C_s - C_0) \cdot \text{erf}\left(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}\right)$$

где:
- $C(x,t)$ — концентрация углерода на глубине $x$ и времени $t$
- $C_s$ — концентрация углерода на поверхности
- $C_0$ — начальная концентрация углерода
- $\text{erf}$ — функция ошибки

Применимые условия и ограничения

Эти математические модели актуальны в основном для полувечных геометрий с однородным начальным составом и постоянной концентрацией на поверхности. Они предполагают изотермическое состояние во время всего процесса.

Модели имеют ограничения при применении к сложным геометриям, особенно при острых углах или тонких секциях, где возникают значительные краевые эффекты. Они не полностью учитывают взаимодействие диффузии углерода и азота или влияние легирующих элементов.

Эти формулы предполагают, что диффузия является ограничивающим этапом, и не учитывают кинетику поверхностных реакций, что может стать актуальным при более низких температурах или в определенных атмосферах. Кроме того, фазовые превращения при охлаждении в эти модели не включены.

Методы измерения и характеристики

Стандартные испытательные нормы

  • ASTM E1077: Стандартные методы определения глубины закалки в стали
  • ISO 2639: Сталь — определение и проверка эффективной глубины закалки после поверхностной закалки
  • SAE J423: Методы измерения глубины закалки
  • DIN 50190: Глубина твердости термоупрочнённых деталей; определение эффективной глубины закалки после пламенной или индукционной закалки

Испытательное оборудование и принципы

Микротвердомеры с нагрузками обычно от 100 до 500 гф — основное оборудование для измерения профилей глубины закалки. Эти приборы подают точно контролируемые силы на алмазы-миноетки и измеряют размер отпечатка для определения твердости на разных глубинах.

Оптическая микро- и сканирующая электронная микроскопия (SEM) используют для исследования микроструктуры карбонизированных слоёв. Эти методы выявляют распределение фаз, переходы между закалкой и сердцевиной, а также наличие карбонидов или других соединений.

Передовая характеристика включает использование электронного зонда (EPMA), видосвечения с глоупроводной оптической эмиссией (GDOES) или вторичных ионов (SIMS) для определения точных профилей концентрации углерода и азота по толщине слоя.

Требования к образцам

Стандартные металлогра фические поперечные сечения выполняются путём резки, установки в штатки, шлифовки и полировки. Образцы необходимо разрезать перпендикулярно обрабатываемой поверхности для точного измерения глубины закалки.

Подготовка поверхности включает аккуратную шлифовку по последовательным номерам зернистости (обычно 120-1200), затем полировку алмазными суспензиями до 1 мкм. Химическое травление 2-5%-ным раствором нитрила обычно используется для выявления микроструктуры.

Образцы должны быть свободны от декарбуризации, окисления или механических повреждений, которые могут повлиять на измерения твердости. Для сложных геометрий может потребоваться несколько сечений для характеристики распределения глубины закалки.

Параметры испытаний

Стандартные испытания обычно проводят при комнатной температуре (20-25°C) в лабораторных условиях с контролируемой влажностью. Для специальных целей испытания твердости при повышенной температуре могут выполняться.

Для микротвердости используют стандартное держание 10-15 секунд с контролируемым нагрузочным режимом. Расстояние между отпечатками должно быть не менее 2,5 диагоналей отпечатков для предотвращения взаимного влияния.

Ключевыми параметрами являются определение эффективной глубины закалки (обычно глубина, при которой твердость равна твердости сердцевины плюс 50 HV или определяется по глубине 550 HV) и направление перемещения относительно обработки поверхности.

Обработка данных

Измерения твердости собираются на заданных глубинах, обычно начиная с 0,05 мм от поверхности и продолжая до достижения твердости ядра. Могут производиться множественные проходы для повышения статистической надежности.

Статистический анализ включает расчет среднего и стандартного отклонения на каждой глубине. Методы аппроксимации кривых применяются для получения непрерывных профилей твердости по дискретным точкам измерения.

Эффективная глубина закалки рассчитывается по профилю твердости согласно соответствующему стандарту. Общая глубина закалки, твердость поверхности и характеристики перехода между закалкой и сердцевиной также определяются из исходных данных измерений.

Типичные диапазоны значений

Классификация стали Типичный диапазон значений Испытательные условия Референсный стандарт
Сталь с низким содержанием углерода (1018, 1020) 0.2-0.8 мм глубина закалки, 58-62 HRC твердость поверхности 845°C, 2-4 часа SAE J423
Сталь со средним содержанием углерода (1045, 1050) 0.3-1.0 мм глубина закалки, 60-64 HRC 815°C, 2-5 часов ASTM E1077
Сталь легированная низко-легированная (4140, 8620) 0.5-1.2 мм глубина закалки, 58-63 HRC 790°C, 3-6 часов ISO 2639
Сталь инструментальная (A2, D2) 0.2-0.6 мм глубина закалки, 62-66 HRC 760°C, 1-3 часа DIN 50190

Вариации по глубине закалки в пределах каждого класса стали в основном обусловлены содержанием углерода, составом легирующих элементов и исходной микроstructуре. Стали с большим содержанием легирующих элементов обычно образуют менее глубокие закалки, но с большей твердостью.

Эти значения служат общими рекомендациями для разработки процессов, но должны подтверждаться конкретным применением. Оптимальная глубина закалки зависит от условий нагружения, геометрии детали и требуемого срока службы.

Заметной тенденцией является обратная зависимость между достижимой глубиной закалки и максимальной твердостью поверхности. Стали с меньшим содержанием легирующих элементов позволяют получать более глубокие слои, однако не достигают максимальных значений твердости поверхности, возможных у более легированных сталей.

Анализ инженерных приложений

Конструкционные соображения

Инженеры обычно задают глубину карбонизации как 1/10—1/7 толщины критической секции, чтобы обеспечить равномерное распределение напряжений между закаленной поверхностью и сердцевиной. Это предотвращает подсекторную усталость, сохраняя при этом достаточную твердость поверхности.

Коэффициенты запаса 1,2-1,5 применяются для учета вариаций процесса и неопределенностей в условиях нагружения. Для критических применений с серьезными последствиями от отказа используют более высокие коэффициенты безопасности.

При выборе материалов учитываются габариты, механическая обрабатываемость и стоимость. Стали с содержанием углерода 0,15-0,25% предпочтительны для карбонизации, так как обеспечивают хорошую твердость поверхности и при этом сохраняют прочное ядро.

Основные области применения

Компоненты трансмиссии автомобилей, особенно шестерни, валы и подшипники, являются критическими для карбонизации. Эти компоненты требуют высокой износостойкости и усталостной прочности при работе на циклических нагрузках и в условиях умеренных ударных воздействий.

Инструментальные изделия, включая штампы, ножи и формообразующие инструменты, выгодно используют карбонизацию при необходимости умеренной износостойкости и улучшенной ударной стойкости по сравнению с полностью закаленными инструментами. Азотсодержащее покрытие дополнительно повышает сопротивляемость прилипанию и заеданию.

Аграрное оборудование, такое как орудия обработки почвы, режущие кромки и части для передачи мощности, используют карбонизацию для повышения срока службы в абразивных условиях грунта. Этот процесс является экономичной альтернативой более дорогим материалам или покрытию.

Торговые компромиссы

Увеличение глубины закалки обычно снижает твердость поверхности из-за разбавления углерода и увеличения времени обработки при повышенной температуре. Инженеры должны балансировать износостойкость (достигнутую высокой твердостью поверхности) и усталостную стойкость (более глубоким слоем).

Карбонизация улучшает износостойкость, но может снизить пластичность и ударную прочность на поверхности. Такой компромисс особенно важен при работах на удары или тепловом цикле, чтобы избежать хрупкого разрушения закаленного слоя.

Проектировщики балансируют между затратами на обработку и эксплуатационными требованиями, оптимизируя глубину закалки. Более глубокие слои требуют большего времени обработки и энергии, что повышает стоимость производства без значительного улучшения характеристик детали.

Анализ отказов

Раздавливание слоя — распространённый вид отказа в карбонизированных деталях при чрезмерных контактных напряжениях. Внутриконтактная пластическая деформация происходит при превышении напряжений вышивки прочности сердцевинного материала, вызывая деформацию закаленного слоя внутрь.

Механизм отказа обычно начинается с пластической деформации сердцевины, после чего возникают трещины слоя и, в конце концов, отслаивание или растрескивание поверхности. Микроскопические исследования показывают внутренний пластический поток и характерные трещины, параллельные поверхности.

Стратегии предотвращения включают повышение твердости сердцевины за счет легирующих элементов или процесса закалки, оптимизацию глубины закалки под конкретные условия нагружения и улучшение конструкции опорных элементов для более равномерного распределения нагрузок.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода в базовом материале существенно влияет на отклик карбонизации и нитроцеремизации: стали со средним содержанием углерода (0,3-0,5%) развивают более высокую твердость сердцевины, но могут иметь меньшую глубину закалки по сравнению с низкоуглеродистыми сталями (0,1-0,2%).

Никель и марганец способствуют образованию сохраняющегося аустенита во время обработки, повышая ударную вязкость, но могут снижать видимую твердость. Хром, молибден и ванадий образуют стабильные карбониды и нитриды, увеличивая твердость, однако могут затруднять диффузию.

Оптимизация состава обычно включает выбор исходных материалов с контролируемым содержанием углерода (0,15-0,25%) и марганца (0,6-1,0%), а также минимизацию содержания фосфора и серы для предотвращения хрупкости и обеспечения равномерной закалки.

Влияние микро-структуры

Мелкозернистость улучшает диффузию за счет большего количества границ зерен, предоставляя больше поверхностных путей для атомарного перемещения. Обычно предпочтительны зерновые размеры ASTM 5-8 для оптимальной реакции на карбонизацию.

Распределение фаз перед обработкой влияет на скорость поглощения углерода и азота. Нормализация или отпуск с закалкой и регулировкой микроструктуры обеспечивает более стабильные результаты, чем структурное состояние с крупными карбидами.

Неконструкционные включения, особенно сульфиды и окислы, могут создавать локальные вариации в глубине закалки и твердости. Чистые стали с минимальным содержанием включений обеспечивают более однородные свойства поверхности и снижают риск преждевременного отказа.

Влияние обработки

Параметры термообработки, особенно температура и время, напрямую управляют глубиной закалки и профилем состава. Более высокие температуры ускоряют диффузию, но могут приводить к чрезмерному росту зерен или окислению поверхности.

Механическая обработка перед карбонизацией влияет на размер зерен, остаточные напряжения и условия поверхности. Холодная обработка обычно способствует более мелкому зерну, но может вносить остаточные напряжения и искажать детали при последующей термической обработке.

Скорость охлаждения после карбонизации критична для окончательной микро-структуры и свойств. Отжиг в масле обеспечивает умеренные скорости охлаждения, подходящие для большинства применений, а газовое охлаждение уменьшает деформацию, что особенно важно для прецизионных деталей, однако при этом снижается твердость.

Экологические факторы

Температура эксплуатации существенно влияет на характеристики карбонизированных деталей. Твердость и износостойкость обычно снижаются при высоких температурах из-за закалки и термического ослабления азотсодержащих фаз.

Коррозийные условия могут ускорять деградацию поверхности, особенно при повреждении пассивного слоя. Азот в закалке обеспечивает умеренное повышение сопротивляемости коррозии по сравнению с традиционной цементацией.

Длительное воздействие тепла вызывает реакции релаксации и изменения твердости при длительном воздействии умеренных температур (150-300°C). Эта тепловая нестабильность менее выражена, чем при традиционной цементации, благодаря стабилизирующему эффекту азота.

Методы улучшения

Регулирование состава атмосферы, например, соотношения аммиак/углеводород, позволяет металлургам оптимизировать соотношение азота к углероду в слое. Повышенное содержание азота повышает износостойкость и уменьшает искажения, но может увеличить хрупкость.

После карбонизации методом криогенного охлаждения уменьшают содержание сохраняющегося аустенита и повышают видимую твердость. Процесс включает охлаждение до -60°C—-80°C после закалки и перед отпуском.

Конструктивные подходы, такие как однородная толщина секции, большие радиусы в местах перехода и правильная опора при термообработке, могут значительно повысить стабильность размеров и снизить искажения при карбонизации.

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Нитроцементация — это связанная обработка, которая проводится при более низких температурах (500-580°C) и создает слой, насыщенный э-полимере карбонидов, а не зону диффузии. Обеспечивает отличную износостойкость и сопротивление царапинам без значительных изменений размеров.

Закалка поверхности включает более широкий спектр методов, таких как карбонизация, цементация, нитроцеремизация и индукционная закалка. Общая цель этих процессов — создание твердого слоя на поверхности над прочным ядром.

Эффективная глубина закалки — это перпендикулярное расстояние от поверхности до точки, где твердость достигает заданного значения (обычно 550 HV или 50 HRC). Это отличается от полной глубины закалки, которая достигает точки, где не обнаруживается металлургическая разница с сердцевиной.

Карбонизацию не следует путать с нитроцементацией или цианидированием, несмотря на похожие названия. Эти процессы работают при различных температурах, создают разные микроструктуры и имеют различные характеристики.

Основные стандарты

SAE AMS 2759/7 содержит подробные технические спецификации по карбонизации стали, включая параметры процесса, требования к качеству и критерии приемки для аэрокосмической и высокопроизводительной промышленности.

ISO 15787 устанавливает международные стандарты по технической документации на обработанные термически детали, включая карбонизированные компоненты. Стандартизирует символы и требования к документации в различных отраслях.

Региональные стандарты различаются по подходам к спецификациям карбонизации. Европейские стандарты (EN) обычно ориентированы на параметры процесса и системы качества, в то время как японские (JIS) делают упор на конкретные требования к свойствам и характеристикам для различных применений.

Тенденции развития

Современные исследования сосредоточены на компьютерном моделировании процесса карбонизации для предсказания свойств слоя на основе параметров процесса и состава базового материала. Эти модели позволяют сократить время разработки и оптимизировать процессы под конкретные изделия.

Плазменно-ассистированная карбонизация — это перспективная технология, использующая ионизированный газ для повышения скорости диффузии при более низких температурах. Такой подход может снизить деформацию, энергопотребление и время обработки.

В будущем, вероятно, появятся системы контроля в реальном времени с использованием датчиков, которые будут автоматически регулировать параметры процесса на основе в-сухих измерений формирования слоя. Такой замкнутый цикл обеспечивает высокую повторяемость и снижение вариаций в критичных компонентах.

Вернуться к блогу

Комментировать