Цементация стали
Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация проводится для получения повышенной твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, цементация увеличивает износостойкость и предел выносливости.
Изображение взято из открытого источника яндекс. картинки
Цементация производится на деталях из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), используемых в условиях контактного износа и переменных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонны и т.д.).
На цементацию детали отправляются после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,1 мм. Участки, не требующие цементации, защищаются тонким слоем меди (0,02-0,04 мм), нанесенным электролитическим способом, или специальными покрытиями, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, смешанных на жидком стекле, и т.д.
Цементацию проводят при температурах выше Ac3 (900-950°C). Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева во время цементации. При таких температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности металла и диффундирует вглубь металла. После цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0%. Более высокое содержание углерода способствует охрупчиванию цементируемого слоя.
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине (рис. 1), которая уменьшается от поверхности к сердцевине. Следовательно, после медленного охлаждения в структуре сцементированного слоя можно выделить три зоны: трансэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита; эвтектоидную, состоящую из перлита; предэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.
Толщину цементированного слоя обычно принимают как сумму предэвтектоидной, эвтектоидной и половины предэвтектоидных зон. Обычно толщина слоя для большинства сталей составляет 0,8-0,4 мм.
Существует два типа цементации: твердая и газовая. Среда, в которой осуществляется цементация, называется карбюратором.
Цементация в твердой среде
В качестве карбюратора используется активированный уголь (дубовый или березовый), а также угольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса в древесный уголь добавляют активаторы – карбонат бария (BaCO3), кальцинированную соду (Na2CO3), поташ (K2CO3) в количестве 10-40% от массы угля.
Широко используемый карбюратор состоит на 20-25% из BaCO3, 3,5% из CaCO3, остальное — древесный уголь.
Карбонат кальция вводится для предотвращения спекания частиц карбюратора.
Обычно рабочая смесь, используемая для цементации, состоит на 25-35% из свежего карбюратора и на 65-75% израсходованного. В этом случае содержание BaCO3 в смеси составляет 5-7%.
Продукты, подготовленные для цементации, хранятся в металлическом ящике. Заранее в коробку насыпается карбюраторный слой толщиной 20-30 см. Детали укладываются слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой деталей заливается карбюратором и на него укладывается следующий слой деталей и т.д. Последним слоем покрывается карбюратор, а коробка накрывается крышкой, края которой обмазываются огнеупорной глиной или смесью глины и песка. Иногда вместо крышки кладут лист асбеста, а сверху обмазывают глиной. После этого коробку помещают в духовку с температурой 900-950°C, время разогрева до этой температуры определяется из расчета 7-9 минут на 1 см минимального размера коробки.
В коробке между кусками угля находится воздух, кислород которого взаимодействует с углеродом карбюратора, образуя монооксид углерода CO. При контакте с поверхностью детали монооксид углерода диссоциирует в результате реакции
из 2CO CO2 + Sat
Высвобожденный атомарный углерод проникает глубоко в металл. Добавление солей углекислого газа активизирует процесс цементации, поскольку происходят следующие типы реакций
BaCO3 + C BaO+2 CO
Продолжительность нахождения в печи при температуре цементации зависит от требуемой толщины цементируемого слоя. На практике экспозиция рассчитывается исходя из роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получается за 9,5 – 10,4 часа.
Для контроля хода процесса и толщины цементируемого слоя вместе с деталями в коробку помещаются «свидетели» — круглые (квадратные) образцы диаметром 10-15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. В процессе цементации периодически удаляются «свидетели», разрушаются и определяется толщина цементируемого слоя в трещине.
Повышение температуры цементации до 950-1000 °C помогает значительно ускорить процесс, но этот режим применим для изначально мелкозернистых сталей.
После цементации коробки охлаждаются на воздухе, а затем разбираются. Детали, не подлежащие цементации, защищены нанесением гальванического покрытия из меди.
После цементации детали подвергаются нормализации для измельчения зерна, повторной закалки и низкотемпературного отпуска. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру закаленного мартенсита с включениями избыточных карбидов твердостью HRC60-63.
Структура сердечника зависит от состава стали и режима отпуска. В углеродистых сталях он состоит из феррита и сорбита или троостита, а в легированных сталях – из низкоуглеродистого мартенсита.
Процесс газовой цементации
В настоящее время газовая цементация является основным методом цементирования на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается время процесса, поскольку отпадает необходимость в разогреве коробок, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термообработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.
Цементация осуществляется в шахтных печах, муфельных или немуфельных печах непрерывного действия.
Во время цементации в шахтных печах для создания науглероживающей атмосферы используются метан, керосин, синтин, бензол и т.д. Атомарный углерод получается путем диссоциации метана.
СН4 2Н2+ Сатом
В печах непрерывного действия чаще используется метан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) используются атмосферы с контролируемым углеродным потенциалом (эндотермические контролируемые атмосферы), например, PSO-06, PSO-09, GG-0 и т.д., с добавлением углеводородов от 1 до 4% (см. таблицу 1).
Углеродный потенциал атмосферы понимается как определенная концентрация углерода на поверхности зацементированного слоя. Чтобы ускорить процесс, углеродный потенциал атмосферы в печи изменяется по зонам. Первоначально его поддерживают на высоком уровне, обеспечивая концентрацию углерода в поверхностном слое 1,3 -1,4%, а затем снижают для получения оптимального содержания углерода в этом слое (0,8%).
Для этого газ, состоящий из смеси природного (10-15%) и эндотермического (9+0-85%) газов, подается в первую зону, которая занимает около 2/3 длины печи. Во вторую зону подается только эндотермический газ, который находится в равновесии с заданной концентрацией углерода (0,8%) на поверхности. В то же время, благодаря диффузии вглубь металла и взаимодействию металлической поверхности детали с эндотермической атмосферой, концентрация углерода на поверхности уменьшается и происходит его более равномерное распределение по толщине цементируемого слоя.
После газовой цементации проводят закалку (для изначально мелкозернистых сталей) непосредственно из печи для цементации, предварительно охладив до температуры 850-830°C. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180°C.
Вы читали статью, понравилась ли она вам? Напишите свое мнение в комментариях, поделитесь ссылкой на статью со своими друзьями.
Используемая литература:
«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.
