1.2 Цементация

Цементацией (науглероживанием) называется процесс поверхностного насыщения стальных деталей углеродом с целью повышения твердости, износостойкости, контактной выносливости и усталостной прочности.

Цементация является одним из методов химико-термической обработки. Для проведения процессов такой обработки необходимы следующие условия:

• растворимость насыщающего элемента в материале детали или их химическое взаимодействие;

• избыточная концентрация насыщающего элемента в некотором изолированном объеме, в котором находятся детали;

• достаточная температура для образования насыщающих атомов и их диффузионной подвижности в материале детали;

• достаточная продолжительность процесса для образования слоя заданной толщины.

Цементация как правило применяется для низкоуглеродистых сталей, содержащих менее 0,25% С, легированных и нелегированных. Например, для сталей 15, 20, 15X, 20Х, 18ХГТ, 15ХГНТ, 20ХГР, 12XH2, 20ХН3А, 18Х2Н4ВА и др.

Насыщающая среда для цементации называется карбюризатором. Карбюризаторы могут быть газовыми, твердыми и жидкими.

Газовая цементация чаще проводится в газовых карбюризаторах, содержащих такие соединения углерода, как СН₄ или СО. Науглероживание происходит в основном за счет реакции на поверхности детали:

2СО = СО₂ + С_ат;

Метан является поставщиком углерода при своей диссоциации и участвует в реакции, приводящей к увеличению в атмосфере СО:

СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂

Твердая цементация проводится в контейнерах с упакованными деталями, которые засыпаются порошковым или гранулированным карбюризатором. В состав карбюризатора входит древесный уголь (до 95%) и карбонаты натрия, кальция и бария. Контейнеры с деталями перед загрузкой в печь закрывают крышкой, а зазоры замазывают глиной для герметизации.

Жидкая цементация проводится в расплавах солей на основе карбонатов натрия или бария (85-90%) с добавками твердых углеродсодержащих веществ (каменного угля, сажи, карбида кремния и т.п.).

Углерод растворяется в феррите, аустените и образует химическое соединение Fe₃C. В феррите растворяется очень мало углерода (до 0,02%), для образования цементита необходима высокая его концентрация (6,67%), в аустените растворяется углерода от 0 до 2,14% при 1147⁰С в соответствии с диаграммой состояния Fe - Fe₃C. Поэтому для получения различного комплекса свойств наиболее целесообразно нагревать цементуемые детали до температур, обеспечивающих получение аустенитной структуры. Более того, аустенит необходим для обеспечения закалки.

Стандартным режимом цементации является проведение процесса при температуре 930-950 °C и продолжительности процесса 8–10 часов. Толщина цементованного слоя составляет 0,7–1,2 мм. Содержание углерода в поверхностном слое достигает 0,8–1,2 % в соответствии с сочетанием температуры процесса и линией ES диаграммы Fe - Fe₃C. По мере удаления от поверхности в глубь содержание углерода плавно снижается до его содержания в материале детали.

После цементации и медленного охлаждения микроструктура цементованного слоя состоит из нескольких зон (Рис. 14), полностью совпадающих с областями диаграммы Fe - Fe₃C:

Поверхностной заэвтектоидной зоны (> 0,8 %С), в которой на углеродистой стали 15 цементитная сетка окружает зерна перлита (Рис. 14, а). На легированной стали 20ХГТ углерод идет на образование отдельных включений карбидов, которые имеют округлую (глобулярную) форму (Рис. 14,б). Цементитная сетка отсутствует; Разрозненные твердые включения карбидов или цементита повышают износостойкость цементованной стали.

Эвтектоидной зоны (0,8 %С) – с перлитной структурой.

Переходной зоны (< 0,8 %С), в которой содержание углерода плавно снижается по глубине слоя от 0,8 до его содержания в стали. Это обеспечивает постепенное уменьшение количества перлита и увеличение количества феррита до соотношения между этими структурами, соответствующего структуре сердцевины стали (Рис. 14,а, б).

Результаты цементации оцениваются по общей толщине слоя или по толщине эффективной зоны и концентрации в нем углерода. Под толщиной эффективного цементованного слоя после медленного охлаждения принимается расстояние от поверхности до середины переходной зоны слоя, содержащей 50 % феррита + 50 % перлита. За общую толщину слоя принимают расстояние от поверхности до структуры сердцевины (Рис. 14).

Рис. 14. Схемы микроструктуры цементованного слоя:

а) – на стали 15; б) – на стали 20ХГТ.

Наличие цементитной сетки в структуре цементованной детали нежелательно, так как она вызывает повышенную хрупкость. Поэтому ее стараются не допускать или устранять различными технологическими приемами. Предупреждают образование цементитной сетки путем применения легированных сталей, у которых вместо цементита образуются разрозненные карбиды, имеющие форму глобулей.

Следует иметь в виду, что во время длительной выдержки при проведении цементации наблюдается рост зерна цементованного слоя и сердцевины детали. Крупное зерно не обеспечивает оптимальных эксплуатационных свойств деталям, подвергнутым цементации.

Окончательные свойства у цементованных деталей достигаются в результате термической обработки закалки и отпуска, режимы которой различны в зависимости от метода цементации, типа цементационной печи, марки стали, размера и конфигурации детали. На рис. 15 представлены некоторые используемые режимы термической обработки цементованных деталей.

Рис. 15. Режимы термической обработки цементованной стали

Первый режим (1) предусматривает проведение подстуживания после цементации до закалочной температуры 760 – 820⁰С. Подстуживание проводится с целью уменьшения содержания остаточного аустенита, образующегося после закалки и снижающего твердость, а также для образования разрозненных включений цементита или карбидов. Охлаждение при закалке проводят в подогретом до 160⁰С масле. Далее проводят низкий отпуск при 180⁰С.

Такой режим применяют после газовой цементации легированных сталей, не склонных к росту аустенитного зерна при температуре цементации.

Второй режим (2) предусматривает проведение после цементации полного охлаждения деталей на воздухе. При этом при температуре линии Ас₁ происходит измельчение зерна стали при перекристаллизации аустенита в перлит в 4 – 6 раз. После такого охлаждения деталь может быть подвергнута механической обработке, так как она не обладает высокой твердостью. Затем проводят повторный нагрев под закалку до температуры выше А_с3 при нагреве ТВЧ, или выше А_с1 на 30-50⁰С (так как на поверхности имеет место заэвтектоидная структура) при нагреве в печи. При перекристаллизации перлита в аустенит во время повторного нагрева наблюдается новое измельчение зерна в 12 – 15 раз. Охлаждают детали в масле. Далее проводят низкий отпуск. Такой режим применяют для нелегированных сталей, склонных к росту аустенитного зерна или после цементации в твердом карбюризаторе. Т.е. основной целью данного режима обработки является измельчение зерна стали для получения оптимального комплекса механических свойств детали.

Твердость цементованного слоя после термической обработки должна быть на уровне 58–62 единицы HRC. После цементации достигаются не только высокая поверхностная твердость и износостойкость деталей, но и высокая усталостная прочность и контактная выносливость. Это объясняется наличием в цементованном слое остаточных сжимающих напряжений и благоприятным перепадом твердости по сечению детали.

На железнодорожном транспорте цементации подвергаются различные детали: шестерни тягового двигателя, зубчатые венцы, поршневые пальцы, корпус распылителя топливного насоса и другие детали.

К недостаткам цементации следует отнести сравнительно низкую допустимую температуру эксплуатации, которая не должна превышать 200 °C. После нагрева на более высокую температуру во время работы происходит резкое снижение твердости за счет распада мартенсита. Поэтому цементованные детали в процессе эксплуатации должны подвергаться охлаждению.