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.

изменение концентрации углерода в цементованном слое

    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.