Цементация

Цементацией называется процесс поверхностного насыщения стали углеродом. Различают 2 вида цементации: твердую углеродосодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую.

Цементация сопровождается последующей закалкой с низким отпуском, в результате чего получают твердую и износостойкую поверхность.

Если изделие цементуется не по всей поверхности, то участки, не подлежащие цементации, защищаются гальваническим омеднением.

Для обеспечения высокого сопротивления динамическим нагрузкам желательно получить вязкую сердцевину, поэтому цементируемые детали изготавливают из сталей с невысоким содержанием углерода 0,12-0,20%.

При твердой цементации детали запаковываются в ящик, заполненный карбюризатором, в качестве которого используют древесный уголь с различными добавками. Находящийся между кусочками угля О₂ воздуха при температуре 900-950⁰С взаимодействует с углеродом, образуя оксид (из-за недостатка О₂ не СО₂). Но при температуре процесса “СО” неустойчив и, контактируя в Fe разлагается: 2СО→СО₂+С, т.е. с образованием атомарного углерода, который поглощается поверхностью.

Таким образом, и при твердой цементации процесс протекает с образованием газовой фазы.

Для активизации карбюризаторов используют углекислые соли: ВаСО₃, NaCO₃ (сода), К₂СО₃ (поташ), в количестве от 10 до 30%. Они разлагаются с образованием СО₂:

ВаСО₃→ВаО+СО₂

А диоксид взаимодействует с углем СО₂+С→2СО и т.д.

По причине низкой теплопроводимости карбюризатора процесс твердой цементации весьма длительный (несколько десятков часов).

Увеличение скорости цементации достигается применением газовой цементации. В этом случае через герметически закрытую камеру печи с определенной скоростью проходит цементирующий газ.

Необходимая газовая атмосфера может создаваться также при подаче (с помощью специальной капельницы) в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин, спирты и т.д.). Углеводород при высоких температурах разлагается с образованием активного «С» и Н₂.

Лучший цементированный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из СН₄ и пропан-бутановых смесей, а также жидкого углеводорода.

Основными реакциями газовой цементации являются диссоциация оксида С и СН₄:

2СО→СО₂+Сат СН₄→2Н₂+Сат

Сат+Feg=аустенит Feg (С)

Чтобы получить толщину слоя 1,0-1,7 мм процесс проводят 6-12 часов при температуре 910-930⁰С.

Газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах с рабочей температурой 950⁰С или в камерных универсальных печах с герметизированной форкамерой (нагревательная камера) и закалочным баком. Герметизация позволяет исключить контакт нагретых деталей с воздухом, предотвратить образование дефектов на поверхности изделий.

В крупносерийном производстве применяют безмуфельные печи непрерывного действия. Весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка, низкий отпуск) в таких установках механизирован и автоматизирован.

Для цементации в печах непрерывного действия и камерных печах применяют эндотермическую атмосферу, включающую 20% СО, 40% Н₂ и 40% N₂. К 92-95% эндотермического газа добавляют 3-5%природного газа.

Получение эндотермического газа – процесс высокотемпературный (1000-1200⁰С). Осуществляют его в специальных генераторах. Эндотермическая атмосфера создает возможность автоматического регулирования углеродного потенциала, т.е. обеспечивает определенную концентрацию углерода на поверхности цементированного слоя.

Итак, при газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сократить длительность процесса; обеспечить полную механизацию и автоматизацию процессов. Кроме того, упрощается последующая термическая обработка изделий, т.к. можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Необходимые свойства цементируемых изделий достигаются в результате последующей термической обработки.

Чаще всего, особенно при обработке мелкозернистых сталей, применяют закалку выше т. Ас₁, при 820-850⁰С. Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементируемого слоя. Зерна сердцевины также измельчаются, подвергаясь частичной перекристаллизации.

Закалку без повторного нагрева, т.е. непосредственно из цементационной печи после подстуживания изделий до 840-860⁰С, применяют для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не улучшает структуру цементируемого слоя и сердцевины, поэтому подобной обработке подвергают только изделия, изготовленные из наследственно мелкозернистой стали.

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (15-20%) или мартенсита, остаточного аустенита и небольшого избытка глобулярных карбидов.

Во всех случаях заключительной стадией термической обработки целых изделий является низкий отпуск при 160-180⁰С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения. Твердость поверхностного слоя после термической обработки HRC 58-62.

Цементация с термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий.

Дата добавления: 2014-01-07