Термическая обработка после цементации

Цель термообработки:

· исправить структуру, измельчить зерно(цементованного слоя и сердцевины)

· получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие свойства сердцевины (сочетание прочности и вязкости)

· устранить карбидную сетку в цементованном слое

Цементованная деталь является как бы сочетанием двух разных сталей – высокоуглеродистой (поверхность) и низкоуглеродистой (сердцевина).

Рис 8 Зависимость между достигаемой твердостью и содержанием углерода в цементованном слое стали 20ХМ после обычной закалки и закалки с температуры цементации (930 град С):

1 - для 100% мартенсита

2 – обычная закалка 825 град с, масло

3 – закалка с температуры цементации

Поэтому одной термообработкой весьма трудно добиться оптимальной структуры и свойств как в сердцевине так и на поверхности. Так. наивысшая твердость цементованного слоя достигается при неполной закалке.Если же закалку производить с температуры цементации, то в структуре поверхностного слоя будет много остаточного аустенита и твердость будет ниже, как показано на Рис 8. В то же время, неполная закалка для сердцевины приведет к появлению свободного феррита и пониженным механическим свойствам. Поэтому часто термическая обработка после закалки состоит из двух более этапов

Варианты термообработки:

Рис 9 Схема режимов термической обработки цементованной стали (температура Ас3, Аr3 для сердцевины)

1 – закалка с цементационного нагрева - самый простой и дешевый способ термообработки после цементации. Этот способ применяется, когда используются наследственно мелкозернистые стали и когда к деталям не предъявляют повышенных требований по механическим свойствам

2 – закалка с предварительным подстуживанием до температуры около 870 град С – это несколько выше температуры Аr3 для сердцевины. При этом в поверхностном слое образуется меньше остаточного аустенита, чем в варианте 1, меньше возникающие напряжения и коробление деталей

3. – изотермическая закалка (с предварительным подстуживанием.)Применяется для легированных сталей. Образуется структура нижнего бейнита. При этом уменьшаются закалочные напряжения и связанные с этим искажения размеров, однако, увеличивается количество остаточного аустенита в поверхностном слое

4. – закалка с обработкой холодом. При закалке легированных сталей в поверхностном слое может образоваться до 30 – 40% остаточного аустенита. Чтобы уменьшить его количество детали непосредственно после закалки в масло переносят в холодильник с температурой -70 град С. При этом остаточный аустенит переходит в мартенсит

5 – двойная закалка: первая закалка (или нормализация) устраняет сетку цементита, вторая закалка может производится или с температуры Ас1(формирует оптимальные структуру и свойства поверхностного слоя) или с температуры Ас3 для сердцевины (при этом формируется оптимальная структура и свойства сердцевины)

Заключительная операция термообработки- низкий отпуск- обычно при температурах 160-180 град С При этом мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска, снижаются напряжения и улучшаются механические свойства.

Оптимальная структура цементованного слоя- мелкоигольчатый мартенсит и изолированные участки остаточного аустенита (в количестве 15-20%)

Не допускаются

· крупноигольчатый мартенсит

· сетка цементита

· избыточные скопления карбидов

· сетка троостита

· содержание остаточного аустенита свыше 25%

Основная причина снижения механических свойств деталей- присутствие немартенситных продуктов в цементованном слое

Оптимальная структура сердцевины – троостито – сорбитная структура, нежелательно присутствие свободного феррита

ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕМЕНТАЦИИ

Цементация твердым карбюризатором

В состав карбюризатора входят:

- уголь (или кокс) в зернах диаметром 3 - 10 мм

- активизатор BaCO3 Na2CO3 (10 - 40 % от массы угля)

Механизм возникновения активного углерода в карбюризаторе:

С + O2® 2CO

CO«CO2 + C (атомарный)

BaCO3 + C® BaO + 2CO

При температурах выше 800 град С равновесия этих реакций сдвинуты в сторону образования атомарного углерода (см Рис 1)

Цементация при этом осуществляется в стальных ящиках, куда укладывают рядами цементуемые детали, пересыпая их карбюризатором:

Рис 10 Схема укладки деталей при цементации: 1 – контейнер, 2 – детали, 3 - карбюризатор

Объем деталей не должен превышать 20% от объема ящика

Стойкость ящиков составляет около 200 часов

Один из существенных недостатков этой технологии - длительность прогрева ящика. На 1 см толщины ящика необходимо от 7 до 9 мин времени прогрева. В итоге, для создания на детали цементованного слоя толщиной 0, 7 мм в ящике шириной 150 мм необходимо 6 часов. Кроме того, нельзя произвести закалку с цементационного нагрева

Такой способ цементации (в твердом карбюризаторе) используется в мелкосерийном и единичном производстве, так как он не требует использования специальных печей и другой сложной аппаратуры

Газовая цементация

Эта технология более совершенна, позволяет повысить качество цементации, но требует специальной аппаратуры

Газовой средой, в которой происходит насыщение поверхности стали углеродом является смесь газов:

N2 -CO2 - CO - H2 - H2O - CH4

В этой смеси:

N2 -CO2 - H2 - газы носители

- CO - CH4 - активные газы (источники углерода)

Преимущества газовой цементации:

* значительно меньше длительность процесса, чем в случае твердого карбюризатора

* возможно получение слоев с заданной концентрацией углерода

* появляется возможность автоматизации процесса

* возможна закалка деталей прямо из печи, где проходит цементация

Необходимые газовые среды могут быть получены различным способом:

- из жидких углеводородов (керосин, синтин, спирты)

- путем частичного сжигания природного газа

- добавлением к азоту метана и других газов (синтетические атмосферы)

Рассмотрим эти газовые среды