Цементация

Цементация — диффузионное насыщение поверхностного слоя детали углеродом. После цементации выполняют термическую об­работку — закалку и низкий отпуск. Цементации подвергают де­тали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибра­цию и удары. Такие детали должны иметь твердую закаленную поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и вязкую серд­цевину, способную выдерживать динамические нагрузки. Если по­добные детали изготовить из стали с высоким содержанием угле­рода, то после термической обработки поверхность их будет твердой и износоустойчивой, а сердцевина — твердой и хрупкой. В ре­зультате ударных нагрузок такие детали могут разрушиться. Де­тали из малоуглеродистой стали будут мягкими и вязкими, выдер­жат вибрацию и удары, но зато быстро износятся при истирании. Оптимальные свойства достигаются в том случае, если детали из­готовляются из малоуглеродистой стали, а затем подвергают це­ментации с последующей закалкой.

На поверхности цементированной ста­ли образуется заэвтектоидная зона (пер­лит и сетка цементита), далее распола­гается эвтектоидная зона (перлит) и при переходе к сердцевине — переходная зона (феррит и перлит). За толщину цементированного слоя принимают сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зон (рисунок 9.5). С повышением температуры и времени выдержки толщина це­ментированного слоя увеличивается, глубина его достигает 0, 5— 2 мм. На каждые 0, 1 мм толщины слоя требуется выдержка около 1 ч.

I — заэвтектоидная; II — эвтектоидная; III — доэвтектоидная; IV — глубина цементированного слоя

Рисунок 9.5 – Микроструктура цементированной стали по зонам

К недостаткам твердой цементации следует отнести большую трудоемкость и продолжительность процесса, сложность регулиро­вания толщины цементированного слоя и содержания углерода в нем, загрязнение воздуха угольной пылью.

Цементацию в твер­дом карбюризаторе применяют в мелкосерийном и единичном про­изводствах.

При массовом и крупносерийном производствах применяется газовая цементация в специальных герметически закрытых печах. По сравнению с цементацией в твердом карбюри­заторе газовая цементация дает возможность повысить скорость процесса, увеличить пропускную способность оборудования и про­изводительность труда, улучшить условия работы, осуществить ав­томатизацию и регулирование процесса насыщения металла угле­родом.

В ходе газовой цементации атомарный углерод образуется при разложении углеводородов и окиси углерода. Основным углево­дородом является метан СН₄, разложение которого идет по реак­ции: СН₄→ 2Н₂ + С_ат. Окись углерода диссоциирует по формуле 2СО ↔ СО₂ + С_ат.

Заданную концентрацию углерода в поверхностном слое полу­чают путем автоматического регулирования состава газа (приме­няют газ-разбавитель, например эндогаз). Обычно для цементации используют смесь природного газа с эндогазом, что повышает ак­тивность газовой среды, характеризуемой углеродным потенциа­лом (под углеродным потенциалом атмосферы понимают ее науг­лероживающую способность, обеспечивающую определенную кон­центрацию углерода на поверхности цементированного слоя). Для цементирования слоя глубиной 1 мм при газовой цементации тре­буется 3-4 ч (при цементации в твердом карбюризаторе — 10 ч).

Защита участков поверхности от цементации и нитроцементации производится путем гальванического меднения, забивкой отверстий и внутренних полостей смесью шамотного или квар­цевого песка с порошком окалины. Наиболее трудоемким и слож­ным является способ гальванического меднения. В последние го­ды довольно успешно применяют антицементационную пасту АЗЛК.

После цементации детали подвергают термической обработке для обеспечения высокой твердости поверхности, исправления струк­туры перегрева и устранения карбидной сетки в цементированном слое. Закалку производят при 780-850 °С с последующим отпус­ком при 150—200 °С. При этом происходит измельчение зерна цементированного слоя и частично зерна сердцевины. После це­ментации в твердом карбюризаторе в целях получения мелкозер­нистой структуры поверхностного слоя и сердцевины выполняют двойную закалку (рис. 10.6). В процессе первой закалки деталь нагревают выше температуры точки A_c3 на 30-50 °С, в результате чего измельчается структура сердцевины и устраняется цементитная сетка в поверхностном слое. При второй закалке деталь на­гревают выше температуры точкиА_с1 на 30-50 °С, вследствие чего измельчается структура цементованного слоя, обеспечивается вы­сокая твердость. Двойная закалка способствует повышению меха­нических свойств деталей, но увеличивает их коробление, окисле­ние и обезуглероживание. Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 150-200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердости стали.

I — цементация; II — двойная закалка; III — низкий отпуск

Рисунок 9.6 – Термическая обработка деталей ответственного назначения после цементации

После двойной закалки поверхностный слой имеет структуру мартенсита с равномерно распределенными карбидами и небольшим коли­чеством остаточного аустенита. Двойную закалку применяют для тяжелонагруженных деталей машин, от которых требуются высокая твердость, прочность и ударная вязкость.

При газовой цементации детали из мелкозернистой стали под­вергают закалке сразу из цементационной печи с предваритель­ным подстуживанием до 840-860 °С (рисунок 10.7), а затем отпуску. Подстуживание позволяет уменьшить коробление и количество остаточного аустенита, за счет чего повышается поверхностная твердость. Такой способ закалки исключает возможность окисле­ния и обезуглероживания поверхностных слоев, уменьшает ко­робление, создает предпосылки для механизации и автоматиза­ции процессов цементации, закалки и отпуска, снижает стоимость термообработки.

а — после охлаждения от цементационной температуры до комнатной; б — с подстуживанием;

I — цементация; II — закалка; III — отпуск; IV — подстуживание

Рисунок 9.7 – Схема закалки стали после цементации

Для уменьшения количества остаточного аустенита в цемен­тированном слое высоко- и среднелегированных сталей после за­калки рекомендуется их обработка холодом (чаще проводят вы­сокий отпуск при 600-640 °С). В целях уменьшения коробления цементированные детали (например, зубчатые колеса) следует за­каливать в горячем масле при 160-180 °С либо в штампах.

В случае нарушения технологии цементации возможно появ­ление брака — при чрезмерной глубине цементированного слоя, наличии мягких пятен на поверхности, возникновении цементи­рованного слоя на защищенных поверхностях. При недостаточ­ной глубине цементированного слоя, его неравномерности, пони­женном количестве углерода в слое или резком перепаде его концентрации проводят повторную цементацию. Повторная за­калка цементированных деталей необходима при низкой твердо­сти поверхности, большом количестве остаточного аустенита, фер­рита или троостомартенсита в их сердцевине.