Цементация стали

Под цементацией понимают процесс насыщения поверхно­сти углеродом. Ее целью явля­ется получение твердой и изно­состойкой поверхности.

Цемен­тации обычно подвергают низкоуглеродистые стали, со­держащие 0,1…0,18 (иногда до 0,30) % С. По­сле обработки поверхностные слои содержат 0,8…1,0 % С, а сердцевина изделий остается вязкой. На цементацию детали обычно поступают после меха­нической обработки. Если це­ментации следует подвергать часть поверхности детали, то нецементируемые участки за­щищают тонким слоем меди или изолируют специальными обмазками, состоящими из сме­си огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле или других связках.

Цементацию проводят в области существования аустенита из-за малой растворимости углерода в феррите. Как правило, цементацию осуществляют при температурах 920…950 °С. Когда активность углерода в газовой фазе велика, концентрация растворенного углерода в аустените достигает предела насыщения (определяемого на диа­грамме линией SE) и на поверхности изделий образуется слой цементита. В реальных условиях слой цементита на поверхности образуется очень редко и обычно цементованный слой состоит из аустенита почти насыщенного углеродом при температуре цементации. При охлажде­нии он распадается на феррит и цементит. Практически всегда в цементованном слое концентрация углерода убы­вает от поверхности к сердцевине изделия. У поверхности имеется заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и вторичного цементита. Эта зона постепенно переходит в эвтектоидную - состоящую из пластинчатого перлита и, наконец, в доэвтектоидную зону, состоящую из перли­та и феррита. В этой зоне доля феррита возрастает по мере приближения к сердцевине.

Хотя обычно средняя концентрация углерода в по­верхностном слое и составляет 0,8…1,0 % С, иногда для повышения сопротивления контактной усталости ее по­вышают до 1,1…1,2 %. Более высокое содержание угле­рода нецелесообразно, так как при этом повышается хрупкость цементованного слоя.

Если цементируют стали, легированные карбидообразующими элементами, то может образовываться двухфаз­ный слой, состоящий из аустенита и глобулярных карбидов. Несмотря на то, что концентрация углерода в леги­рованном аустените ниже, чем в обычном, средняя концентрация углерода в сталях, легированных хромом, марганцем, вольфрамом, молибденом и ванадием дости­гает 1,8…2 %. На скорость диффузии легирующие эле­менты влияют неодинаково. Так, например, вольфрам и хром ее уменьшают, а никель - увеличивает.

Поэтому вольфрам и хром, повышая концентрацию углерода в по­верхностных слоях изделий, уменьшают их толщину. Ни­кель, наоборот, снижает концентрацию углерода и уве­личивает толщину диффузионного (цементованного) слоя. Марганец почти не влияет на коэффициент диффу­зии углерода в аустените, но увеличивает его в легиро­ванном цементите, повышая глубину упрочненного слоя.

Цементируют стальные изделия различными метода­ми. При цементации в твердом карбюризаторе источни­ком углерода является активированный уголь, каменно­угольный полукокс или торфяной кокс.

Для ускорения цементации и регулирования состава поверхностных слоев в шихту добавляют активизаторы, которыми слу­жат углекислый барий (ВаСО₃) и кальцинированная со­да (Na₂СО₃). Содержание Ва₂СО₃ в смеси составляет 20…25 %. Для предотвращения спекания частиц карбю­ризатора к шихте добавляют также СаСО₃ в количестве 3…5 %. Выдержка при температуре цементации (920…950 °С) зависит от требующейся толщины цементован­ного слоя, и как правило, для слоя толщиной 0,7…0,9 мм она колеблется от 6 до 8 ч, а для слоя в 1,2…1,5 мм - от 9 до 14 ч. Для наследственно мелкозернистых сталей с целью ускорения цементации температуру повышают до 950…1000 °С. Газовую цементацию проводят путем нагрева изделия в среде газов, содержащих углерод. В качестве кар­бюризатора чаще всего используют природный газ.

Газоваяцементация имеет преимущества перед це­ментацией в твердом карбюризаторе, так как позволяет получить не только заданную концентрацию углерода, но и обеспечивает большую равномерность толщины слоя, что позволяет уменьшить длительность обработки. При газовой цементации процесс можно автоматизировать. Кроме того, упрощается последующая термическая обра­ботка изделий, поскольку не требуется извлечения дета­лей из карбюризатора и имеется возможность проводить закалку непосредственно из цементационной печи.

В последние годы начинают также развиваться мето­ды жидкостной цементации с использованием солевых расплавов и наложением процессов электролиза. Для це­ментации используют барботируемые жидкости, ско­рость цементации в которых в 3…5 раз выше, чем в твер­дых карбюризаторах. При электрохимико-термической обработке также значительно ускоряются многие процессы насы­щения.

Дата добавления: 2014-01-05