Механизм образования, строение и свойства цементованного слоя

Формирование слоя

Процесс формирования состоит из следующих физических явлений-

· адсорбция атомарного углерода на поверхности цементуемой детали

· диффузия углерода вглубь поверхности металла

Цементация осуществляется при температурах 930 -950 град С. При этом сталь находится в аустенитном состоянии (хотя скорость диффузии углерода в ά - железе выше, но растворимость - ниже чем в γ железе). Предельная растворимость углерода в аустените зависит от температуры и определяется линией SE

Рис 4 Образование цементованного слоя: (а- изотерма, б - кинетика)

На рис 4а видно, что при температуре 950 град С максимальная концентрация углерода в аустените равна 1, 4% С. Однако, практически используется область меньших концентраций (заштрихована на Рис 4а). На Рис 4б показано, как нарастает концентрация углерода в поверхностном слое со временем.

Время, необходимое для создания цементованного слоя требуемой толщины определяется скоростью диффузии углерода Углерод, как известно, образует в железе раствор внедрения и диффундирует по межеузлиям кристаллической решетки железа. Приблизительно толщину слоя цементации можно оценить по формуле:

X = √ 2Dτ

Где:

X- толщина слоя

D – коэффициент диффузии

τ -время процесса

Скорость диффузии углерода в аустените возрастает с температурой и зависит от характера легирующих элементов:

n карбидообразующие - замедляют диффузию

n некарбидообразующие- ускоряют диффузию

При большой длительности процесса возможно образование свободного цементита на поверхности металла (время t4 на Рис 4б))

При медленном охлаждении цементованного слоя его строение соответствует диаграмме состояния железо- углерод - происходит от поверхности в глубину последовательная смена следующих структур:

1 заэвтектическая структура- перлит и вторичный цементит в виде сетки

2 эвтектическая структура - пластинчатый перлит

3 доэвтектическая структура- феррит и перлит

Рис 5 Изменение микроструктуры, содержания углерода и твердости в цементованном слое от поверхности в глубину

В случае легирования стали карбидообразующими элементами возникает аустенито - карбидная смесь (например, появляется карбид (FeCr)3С - при легировании хромом)

Характеристиками распределения углерода в цементованном слоя являются:

· концентрация углерода на поверхности

· падение содержания углерода на расстоянии равном 1/3 от эффективной толщины слоя DС1

· наличие обезуглероженного слоя

Рис 6 Характеристики распределения углерода в цементованном слое:

а - для науглероженных деталей

б – для науглероженных и закаленных деталей

На Рис 6а Глубина проникновения углерода – это общая толщина цементованного слоя. Однако чаще используют понятие эффективной толщины

Эффективная толщина слоя-, расстояние от поверхности до зоны внутри слоя, где достигается заданное значение базового параметра. Например, как показано на Рис 6б, за базовый параметр принимается значение твердости 500HV, (соответствующее содержанию углерода 0, 3 – 0, 4%). В этом случае Глубина цементации на Рис 6бявляется эффективной толщиной. За базовый параметр может быть принята определенная определенная структура

В большинстве случает для обеспечения максимальной конструктивной прочности задают следующие значения параметров:

· Поверхностная концентрация Спов чаще всего задается в пределах 0, 7 – 0, 9% С. Для повышения контактной прочности- увеличивают до 1, 1%С

· Градиент концентрации углерода у поверхности не должен быть резким - для возможности последующего шлифования слоя.

Обезуглероживание не допускается. Чтобы получить нужное распределение углерода нужно тщательно выдерживать режим цементации

Напряжения в поверхностном слое играют очень большую роль в конструктивной прочности детали При закалке после цементации в поверхностном слое образуется мартенсит, обладающий бớ льшим удельным объемом, чем перлитные структуры сердцевины. Поэтому в поверхностном слое возникают напряжения сжатия, благоприятно влияющие на прочность и выносливость деталей. В подповерхностном слое возникают уравновешивающие напряжения растяжения, которые следует так же учитывать

Рис 7 Остаточные напряжения в детали из стали 20ХНМ после цементации, закалки и низкого отпуска (а) и после дополнительного наклепа поверхности дробью (б)

Как видно из этого рисунка, на глубине примерно 2 мм напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения. Точка этого перехода не должна лежать слишком близко к поверхности. Наклеп дробью (Рис 7б) иногда применяют для повышения усталостной прочности. При этом как видно из рисунка значительно возрастают напряжения сжатия в тонком поверхностном слое