Цементация

Химико-термическая обработка стали

Цементацией называется процесс насыщения поверх­ности стальных деталей углеродом.

Диффузия углерода в сталь возможна, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, напри­мер, диссоциацией газов, содержащих углерод (СО, СН₄ и др.). Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь ее.

Цементация производится при температуре выше точки А_Сз, когда сталь находится в аустенитном состоянии, обычно при температуре 920—930°С. Для существенного сокращения продолжительности процесса применяют высо­котемпературную цементацию при 980—1050°С. Этот метод увеличивает производительность в 2—4 раза.

Для цементации используют как углеродистые, так и легированные стали с содержанием углерода от 0,1 до 0,3%. Степень насыщения поверхности углеродом — до 0,8-1,1%.

Различают три вида цементации: твердую, газовую и жидкостную.

Для цементации деталей в твёрдом карбюризаторе их упаковывают в ящики и засыпают карбюризатором, который состоит из смеси древесного угля (60-90%) и углекислых солей BaCO₃ (40-10%) (рис.2). После упаковки ящики закрывают крышкой, обмазывают шамотной глиной, просушивают и устанавливают в печь.

Рис. 2 Схема расположения деталей в цементационном ящике: 1 – карбюризатор; 2 – контрольный образец – “свидетель”

Благодаря ряду преимуществ перед цементацией в твёрдом карбюризаторе газовая цементация нашла широкое применение на заводах массового и мелкосерийного производства.

Процесс газовой цементации впервые был предложен П.П. Аносовым в 30-х годах прошлого века.

Газовая цементация осуществляется нагревом стальных изделий в среде углеродосодержащих газов. В качестве карбюризатора применяют природный газ (СН₄), а также пропан-бутановые смеси, подвергнутые специальной обработке. Часто используют жидкие карбюризаторы (керосин грозненского месторождения, синтин и др.), подаваемые в печь каплями.

Для получения заданной концентрации углерода в поверхностном слое и светлой поверхности деталей применяется эндотермический газ (сокращённо эндогаз). Контролируемая эндотермическая атмосфера получается частичным сжиганием природного газа или другого газообразного углеводорода в специальном генераторе.

Химизм процесса газовой цементации сводится в основном к диссоциации метана (СН₄→2Н₂+С_ат) и окиси углерода (2СО→СО₂+ С_ат).

Жидкостная цементация осуществляется в соляной ванне следующего состава: 75—80% Na₂СО₃, 10—15% Na₂Cl и 6—10% SiC (карборунд). Этот состав был предложен в 1935 г. С. С. Штейнбергом. Процесс ве­дется при температуре 850—860°С, скорость науглеро­живания 0,12—0,15 мм/ч. Добавление в ванну хлористо­го аммония (NH₄C1) позволяет интенсифицировать про­цесс.

Основным преимуществом жидкостной цементации в соляных ваннах является быстрота, равномерность на­грева и возможность непосредственной закалки обраба­тываемых деталей из соляной ванны.

После цементации детали необходимо подвергать термической обработке — закалке и отпуску.

Наиболее часто после цементации, особенно при обра­ботке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки А_с1 (820—850°С). Это обеспечивает измельчение зерна цементованного слоя и частичную пере­кристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации сталей типа 18ХГТ, 18ХГТЦ и других с наследственным мелким зерном применяют закалку не­посредственно из цементационной печи после подстуживания до температуры 840—860°С и охлаждают в горячем масле с температурой 160—180°С.

Для сталей типа 20Х2Н4А и 18Х2Н4ВА после цемен­тации проводят высокий отпуск, затем закалку.

После цементации в твердом карбюризаторе иногда применяют двойную закалку и отпуск. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до температуры 880— 900°С проводят для устранения перегрева и цементитной сетки в упрочненном слое. Вторая закалка про­водится в воде или масле (в зависимости от марки стали) с 770—830°С для устранения перегрева цементо­ванного слоя и придания ему высокой твердости.

Во всех случаях после закалки производят низкий отпуск при температуре 160—200°С.

Структура цементованного слоя после термической обработки состоит из мелкоигольчатого мартенсита, иногда с включениями избыточного цементита и остаточ­ного аустенита.

Твердость поверхностного цементованного слоя после термической обработки HRC 58—64.

Pиc. 3. Mикpocтpyктypa цeмeнтиpoвaннoгo слоя пocлe медленнoгo oxлаждения

Рис. 4. Микроструктура заэвтектоидного слоя, × 500:

а – нормальная; б – анормальная

Типичные режимы термической обработки показаны на рис. 5.

Рис. 5. Режимы термической обработки цементированных деталей

Обычно закалку производят с цементационного нагрева, иногда после некоторого подстуживания и обработки холодом (рис. 5, а). Хотя этот режим самый экономичный в смысле продолжительности процесса и расхода топлива, он сохраняет крупнозернистость поверхностного слоя и сердцевину, зерно аустенита выросло в процессе длительного нагрева при цементации.

Поэтому когда к цементованным изделиям предъявляют повышенные требования в отношении механических свойств после цементации, охлаждение производят медленное и затем дается закалка с повторного нагрева (рис. 5, б)или даже двойная закалка (первая выше Ас ₃для сердцевины, вторая выше Ас ₁для поверхности (рис. 5, в). Многочисленные нагревы вызывают изменение размеров, поэтому, если термическая обработка дается по режимам на рис. 5, б или на рис. 5, в,цементированные изделия должны проходить шлифовку («под размер»), что обычно не делается в случае закалки с цементационного нагрева.

Если цементировали слабо прокаливающуюся углеродистую сталь, то структура сердцевины цементируемой углеродистой стали независимо от режима обработки состоит из перлита и феррита, отличающихся разным размером зерна (мелкозернистая в случае двойной обработки, более крупнозернистая – при одинарной, рис. 6, а, б).

Рис. 6. Микроструктура сердцевины цементированной углеродистой стали,

феррит + перлит, × 250:

а – закалка непосредственно после цементации;

б – закалка после регенерации зерна

В сердцевине цементированной детали из легированной глубоко-прокаливающейся стали образуется мартенсит (рис. 7). Ввиду низкого содержания углерода в таком мартенсите он не обладает хрупкостью.

Рис. 7. Микроструктура сердцевины цементированной

легированной стали, × 250

Во всех случаях цементированные детали после закалки для снятия внутренних напряжений подвергают отпуску при низкой температуре (150–200°С).

В результате такой обработки (закалка + низкий отпуск) поверхность должна иметь твердость 58–62 HRC, а сердцевина – 25–35 HRC для легированных и менее <20 HRC для углеродистых сталей.

Дата добавления: 2015-06-27