Цементация
Цементацией называют процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с целью получения высокой твердости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойкости и предела выносливости.
Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок ( втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т.д.).
Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,1 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02-0,04 мм), наносимым электролитическим способом, или специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.
Цементация осуществляется при температурах выше Ас3 (900-950 ᴼ С). Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементации. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на поверхности стали и диффундирует вглубь металла. В результате цементации содержание углерода в поверхностном слое составляет 0,8-1,0%. Более высокая концентрация углерода способствует охрупчиванию цементированного слоя.
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине (рис.1), которая уменьшается от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоящую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.
За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства сталей составляет 0,8-0,4 мм.
Различают два вида цементации: твердую и газовую. Среда в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.
Цементация в твердой среде
Карбюризатором является активированный древесный уголь (дубовый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы – углекислый барий (BaCO3), кальцинированную соду (Na2CO3), поташ (K2CO3) в количестве 10-40% от массы угля.
Широко применяемый карбюризатор состоит из 20-25 % BaCO3, 3,5 % CaCO3, остальное древесный уголь.
Углекислый кальций добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатора.
Обычно рабочая смесь, применяемая для цементации, состоит из 25-35% свежего карбюризатора и 65-75 % отработанного. В этом случае содержание BaCO3 в смеси составляет 5-7 %.
Подготовленные для цементации изделия укладывают в металлический ящик. Предварительно в ящик насыпают слой карбюризатора 20-30 см. Детали укладывают слоями на расстоянии 10-15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей и т.д. Последний слой засыпают карбюризатором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кладут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900-950ᴼ С, время нагрева до этой температуры определяют из расчета 7-9 мин на 1 см минимального размера ящика.
В ящике между кусочками угля имеется воздух, кислород которого взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с поверхностью детали, окись углерода диссоцинирует до реакции
2СО СО2 + Сатом
Выделившийся атомарный углерод диффундирует вглубь металла. Добавление углекислых солей активизирует процесс цементации, так как при этом протекают реакции следующего типа
BaCO3 + C BaO+2 CO
Продолжительность выдержки в печи при температуре цементации зависит от требуемой толщины цементованного слоя. На практике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5 – 10,4 ч.
Для контроля за протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями закладывают «свидетели» — круглые (квадратные) образцы диаметром 10-15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. Во время цементации «свидетели» периодически вынимают, ломают и по излому определяют толщину цементованного слоя.
Повышение температуры цементации до 950-1000ᴼ С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.
Ящики после цементации охлаждают на воздухе и потом разбирают. Участки изделия, не подлежащие цементации защищают , нанося гальваническое покрытие медью.
После цементации детали подвергаются нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпературному отпуску. В результате такой обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с включениями избыточных карбидов с твердостью HRC60-63.
Структура сердцевины зависит от состава стали и режима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных – из малоуглеродистого мартенсита.
Газовая цементация
В настоящее время газовая цементация является основным процессом цементации на заводах массового производства. При газовой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обработка и, самое главное, можно получить заданную концентрацию углерода в слое.
Цементацию выполняют в шахтных печах, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия.
При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т.п. Атомарный углерод получают при диссоциации метана.
CH4 2H2+ Cатом
В печах непрерывного действия чаще используют метан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода (эндотермические контролируемые атмосферы), например ПСО-06, ПСО-09,ГГ-0 и т.д., с добавкой углеводородов от 1 до 4 % (см. табл. 1).
Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углеродный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его выдерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3 -1,4 %, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).
С этой целью в первую зону, занимающую примерно 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного (10-15%) и эндотермического (9+0-85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диффузии вглубь металла и взаимодействия поверхности детали с эндотермической атмосферой концентрация углерода на поверхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементованного слоя.
После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850-830ᴼ С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при температуре 160-180 ᴼ С.
Используемая литература:
«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.
