Краткие сведения из теории. Цементация – один из видов химико-термической обработки изделий, представляющей собой диффузионное насыщение поверхностей деталей различными элементами с

Цементация – один из видов химико-термической обработки изделий, представляющей собой диффузионное насыщение поверхностей деталей различными элементами с целью придания им особых свойств.

Цементация (науглероживание) – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом в углеродсодержащей среде (карбюризаторе).

В случае массового производства широко применяют газовую цементацию в среде разнообразных углеродсодержащих газов, которая обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации процесса, а также упрощение последующей термообработки. Однако в случае мелкосерийного производства и в лабораторной практике разумно применять цементацию в твердом карбюризаторе.

Цель цементации и последующей термообработки – получение деталей повышенной выносливости с твердой, износостойкой поверхностью при сохранений вязкой, хорошо выдерживающей динамические нагрузки сердцевины.

Цементации подвергают зубчатые колеса, распределительные валики, втулки, поршневые пальцы и другие детали из углеродистых и легированных сталей, содержащих до 0, 3% С. Такие стали называют цементуемыми.

Основные параметры цементации:

· температура процесса – 880÷ 950 ^оС (чаще 910÷ 930 ^оС – выбор температур выше точки А_с3 в области аустенита обусловлен значительной растворимостью углерода в аустените и более активной диффузией атомов С в решетке γ -Fe);

· продолжительность цементации 6÷ 12 и более часов – в зависимости от толщины науглероженного слоя, причем в газовой среде скорость процесса выше, следовательно, продолжительность несколько ниже;

· толщина науглероженного слоя 0, 4÷ 2 мм (в случае больших контактных нагрузок до 6 мм);

· максимальное содержание углерода на поверхности – 0, 8÷ 1, 1%.

При нагреве уголь в условиях недостатка кислорода взаимодействует с ним по реакции 2С + О₂ → 2СО. Кроме того, оксид углерода СО образуется в результате реакции ВаСО₃ + С→ ВаО + СО. На поверхности стальных деталей протекает ведущая процесс цементации реакция диспропорционирования 2СО → СО₂ + С (атомарный). Образовавшийся углекислый газ, взаимодействуя с углем, вновь восстанавливается до СО и т.д.

Активный углерод адсорбируется насыщаемой поверхностью и диффундирует в глубь детали.

После медленного охлаждения детали от температур цементации науглероженный слой имеет сложное строение. В процессе охлаждения аустенит поверхностного слоя с содержанием углерода более 0, 8% превращается в перлит и цементит вторичный в виде сетки (заэвтектоидная зона), содержащий около 0, 8% С – в перлит (эвтектоидная зона), а менее 0, 8% – в феррит и перлит (переходная доэвтектоидная зона). За толщину науглероженного слоя принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны. Кроме того, длительная выдержка при высоких температурах приводит к укрупнению зерна, что отрицательно сказывается на механических свойствах изделия.

Окончательные свойства деталей формирует термическая обработка, которая назначается после цементации.

Для удовлетворения особо высоких требований, предъявляемых к деталям ответственного назначения, последние подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска. Первую закалку осуществляют с температур 850÷ 900 (920) ^оС (на 30÷ 50 ^оС выше А_С3 исходной стали). Эта полная закалка направлена на измельчение структуры сердцевины и на устранение сетки цементита на поверхности (если она образовалась), однако она не формирует окончательно твердость, поэтому ее можно заменить нормализацией. Вторая закалка с температур 750÷ 780 ^оС (несколько выше А_С1 заэвтектоидной стали) является неполной и назначается для формирования высокой твердости на поверхности детали. В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, распадается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после второй закалки в поверхностной заэвтектоидной части диффузионного слоя, увеличивая его твердость. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160÷ 200 ^оС, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердости.

Детали менее ответственного назначения, а также изготовленные из наследственно-мелкозернистых сталей и имеющие на поверхности после цементации не более 0, 8% углерода, подвергают более простой термообработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска.

Твердость HRC поверхности в окончательном варианте получается 58÷ 62, а сердцевины – 35÷ 40.