Цементация стали

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

Цементацию с последующей закалкой и отпуском применяют для повышения работоспособности деталей металлургических машин (всевозможные шестерни, зубчатые муфты и втулки, пальцы, втулки и ролики шлеп-перов и т.д.). испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические и переменные нагрузки и подверженных изнашиванию.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,1-0,18% С). Для крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2—0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки нередко с припуском на шлифование 0,05—0,10 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными помазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углеродов по глубине, убывающей от поверхности к сердцевине детали (рис. 1, а), В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 1, б): заэвтектоидную (1), состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную (2) из одного пластинчатого перлита и доэвтектоидную зону (3) из перлита и феррита.

Цементация стали

Рис.1. Схема распределения углерода и микроструктура распределения углерода по толщине цементованного слоя: 1 — заэвтектоидная зона (темные участки — перлит, белая сетка — цементит); 2— эвтектоидная зона (практически один перлит); 3 — доэвтектоидная зона (темные участки — перлит, светлые — феррит), *300

 

За эффективную толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон —до 0,40—0,45% С (рис. 1, б) или после закалки толщину до твердости HRC 50 или HV 500—600.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8—1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной усталости содержание углерода может быть повышено до 1,1 — 1,2%. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия.

Цементация твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой является твердый карбюризатор — древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах 3,5— 10 мм. Для ускорения процесса цементации к древесному углю добавляют активизаторы; углекислый барий (ВаСО3) и кальцинированную соду (Na2CO8) в количестве 10— 40% от массы угля. Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20—25% BaCO3идо 3,5% СаСО3 Рабочую смесь для цементации составляют из 25—35% свежего карбюризатора и 65—75% отработанного; содержание ВаСО3 в такой смеси составляет 5—7%.

Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или реже литые чугунные прямоугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20-30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между деталями и до боковых стенок ящика 10—15 мм. Засыпают и утрамбовывают ряд деталей и т.д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35—40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка, разведенных на воде до тестообразного состояния. После этого ящик помещают в печь. Температура цементации 910—930°С.

Продолжительность выдержки при рабочей температуре зависит от требуемой толщины слоя и размеров ящика. Для получения слоя толщиной 0,7-1,5 мм выдержка составляет 6—15 ч.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400—500°С и затем раскрывают.

При цементации стали используют атомарный углерод, который образуется следующим образом. В цементационном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя СО. При этом СО в присутствии железа диссоциирует по уравнению 2СО С02 + Сат.

Углерод, выделяющийся в результате этой реакции, в момент его образования является атомарным и диффундирует в аустенит: Сат→Feγ →Feγ (С) — аустенит. Добавление углекислых солей сильно активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике СО: ВаO3 + С → ВаО + 2CO.

Газовая цементация. Газовую цементацию осуществляют нагревом изделия вереде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе. Поэтому ее широко применяют на заводах, изготавливающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно точно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий, так как можно проводить закалку непосредственно из цементационной печи.

Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является диссоциация СО:

2СО → СO2 + Сат;

Свт→Feγ →Feγ (С) —аустенит.

Газовую цементацию часто выполняют в безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия, а также в шахтных печах периодического действия. При выполнении процесса в шахтных печах для цементации применяют керосин, синтин, спирты и т.д., каплями подаваемые в печь. Высокая термическая устойчивость и хорошая испаряемость жидких углеводородов (керосина, синтина и др.) позволяют в одном рабочем пространстве совместить получение газа и процесс цементации.

В печах непрерывного действия применяют эндотермическую контролируемую атмосферу, в которую добавляют до 5% природного газа. Основное преимущество эндотермической атмосферы — возможность автоматически регулировать углеродный потенциал атмосферы.

Для сокращения длительности процесса широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2—1,3% С, а затем углеродный потенциал атмосферы снижают до 0,8% С. В этот период концентрация углерода на поверхности снижается до 0,8%.

Цементацию выполняют при 930—950°С. Продолжительность цементации для получения слоя толщиной 0,7—1,5 мм при 930°С в муфельных (безмуфельных) печах непрерывного действия составляет 6—12 ч, а в шахтных 3-10 ч.

Термическая обработка стали после цементации; свойства цементованных деталей. Окончательные свойства цементованные изделия получают в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

В большинстве случаев применяют закалку выше точки Ас1 (для сердцевины) при 820—850°С.

После газовой цементации используют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840—860°С. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины и не приводит к измельчению зерна. Поэтому она применима только к наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий применяют ступенчатую закалку в горячем масле 160—180°С.

Иногда термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880-900°С назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при быстром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом до 760—780°С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита и избыточных карбидов в виде глобулей.

Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160-180°С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит.

Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC 60—64, а для легированной HRC 58—61; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

Сердцевина деталей из углеродистой стали имеет структуру сорбита, а из легированных — бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Твердость сердцевины обычно составляет HRC 30-40.

Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий и понижает чувствительность к концентраторам напряжений при условии непрерывной протяженности упрочненного слоя по всей поверхности детали. Дополнительно предел выносливости цементованных изделий может быть повышен дробеструйным наклепом или обкаткой роликами.