Режимы термической обработки цементуемых изделий

Цементация

Цементация включает два этапа:

1. Собственно цементацию, то есть процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стальной детали углеродом.

2. Термическую обработку детали, включающую закалку и отпуск.

Цель цементации – получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при сохранении вязкой сердцевины детали.

Цементации подвергают низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1 – 0,35 %. Цементацию проводят до содержания углерода в поверхностном слое 1,1 – 1,2 %, при большем содержании углерода в структуре стали увеличивается количество вторичного цементита, придающего стали повышенную хрупкость.

Процесс цементации проводят выше критической температуры Ас ₃ при t = 900 – 970 °C, когда сталь имеет структуру аустенита и может растворить значительное количество углерода.

После цементации и термической обработки на поверхности детали образуется упрочненный слой толщиной 1,5 - 2 мм с HRC 58-62, в сердцевине сохраняется исходная перлитно-ферритная структура с HRC 25-35.

Различают твердую и газовую цементацию.

Твердая цементация осуществляется в слое твердого науглераживающего вещества (карбюризатора). Карбюризатор включает 70 - 80 % древесного угля и 20 - 30 % углекислого бария BaCO₃, натрия Na₂CO₃ или калия К₂CO₃.

Процесс образования атомарного углерода при твердой цементации включает следующие реакции:

2C (тв.) + О₂ = 2СО;

BaCO₃ + С (тв.) = BaO + 2СО;

2 СО → СО₂ + C (газ);

Образовавшийся атомарный углерод диффундирует в поверхностный слой детали.

При твердой цементации в течение 8 - 10 час. образуется диффузионный слой толщиной 1мм.

Газовая цементация проводится в газообразном карбюризаторе, в качестве которого применяют СО, метан, этан, пропан, бензол и др. При газовой цементации диффузионный слой толщиной 1мм образуется за 6 - 7 часов.

Рассмотрим распределение углерода по толщине диффузионного слоя, и равновесные структуры, образующегося после цементации (рис. 9.1). Содержание углерода в диффузионном слое уменьшается от концентрации на поверхности детали (С_п = 1,1 - 1,2 %) до концентрации С_о = 0,1- 0,35%, соответствующей содержанию углерода в исходной стали. При этом в диффузионном слое образуются три зоны:

I – заэвтектоидная зона, имеющая структуру перлит + цементит [(α + Fe₃C) + Fe₃ C];

II - эвтектоидная зона, имеющая перлитную структуру (α + Fe₃C);

α + (α + Fe₃C)

(α + Fe₃C) + Fe₃C

(α + Fe₃C)

α + (α + Fe₃C)

0,8

C₀ (0,1 – 0,35)

C, %

C_п (1,1 – 1,2)

Рис. 96.19. Распределение углерода по толщине диффузионного слоя

и структура диффузионного слоя при цементации

III - доэвтектоидная зона, имеющая структуру феррит + перлит [α + (α + Fe₃C)].

В сердцевине детали (IV) сохраняется исходная структура [α + (α + Fe₃C)].

После цементации вследствие длительной выдержки при высокой температуре сталь приобретает крупнозернистую структуру.

Целью термической обработки после цементации является максимальное упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины.

В зависимости от назначения детали применяют различные варианты термической обработки:

1. Закалка с цементационного нагрева с низким отпуском (рис. 69.102а). При температуре цементации (900 – 970 °С) происходит образование крупного зерна аустенита, как на поверхности, так и в сердцевине детали. При быстром охлаждении на поверхности образуется мартенсит закалки и остаточный аустенит, а в сердцевине - крупнозернистая перлитно-ферритная структура. Для снятия закалочных напряжений после закалки проводят низкий отпуск.

τ

отпуск 150 – 200 ºС

цементация 900 – 970 ºС

Ас ₁

Ас ₃

t, ºС

Рис. 69.2а10а. Закалка с цементационного нагрева с низким отпуском

Такой режим не оптимален, так как максимальная прочность при закалке заэвтектоидной стали достигается при нагреве до температуры Ас ₁ + (30 – 50 °С), позволяющий получить структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Крупнозернистая структура сердцевины обладает низкой ударной вязкостью.

Достоинствами способа являются: относительно низкая стоимость, малая деформация детали, детали не требуют окончательной механической обработки.

Способ применяется при изготовлении относительно неответственных деталей для которых важна высокая поверхностная твердость, а другие свойства не имеют значения.

2. Однократная закалка с низким отпуском (рис. 96.102б). Способ применяется при изготовлении ответственных деталей.

Способ включает охлаждение детали на воздухе с температуры цементации, закалку с температуры нагрева Ас ₃ + (30 – 50 °С) и низкий отпуск. При температуре закалки образуется мелкое зерно аустенита из которого при охлаждении на поверхности образуется мартенсит закалки, а в

Рис. 69.102б. Однократная закалка с низким отпуском

сердцевине мелкозернистая перлитно-ферритная структура с высокой вязкостью. Способ требует окончательной шлифовки детали.

3. Двойная закалка с низким отпуском (рис. 69.112в). Способ применяется при изготовлении особо ответственных деталей.

Рис. 69.102в. Двойная закалка с низким отпуском

Способ включает охлаждение детали на воздухе с температуры цементации, закалку с температуры нагрева Ас ₃ + (30 – 50 °С), закалку с температуры нагрева Ас ₁ + (30 – 50 °С) и низкий отпуск. Первая закалка предназначена для получения мелкозернистой перлитно-ферритной структуры сердцевины с высокой вязкостью. Вторая закалка предназначена для упрочнения поверхностного заэвтектоидного слоя по оптимальному режиму – она позволяет получить структуру мартенсит + цементит + остаточный аустенит, имеющую большую твердость, чем структура мартенсит + остаточный аустенит.

Способ требует окончательной шлифовки детали.

При цементации углеродистой стали, вследствие ее низкой прокаливаемости, сердцевина детали имеет ферритно-перлитную структуру. Легированные стали имеют высокую прокаливаемость и при цементации позволяет получать в сердцевине структуры сорбита, троостита или мартенсита. Благодаря низкой концентрации углерода эти структуры будут иметь высокую ударную вязкость.

Цементации подвергают зубчатые колеса, валы, оси и другие детали.

Дата добавления: 2017-01-13