Цементация

Цементация - процесс диффузионного насыщения углеродом при температуре 880. . .930 °С поверхности деталей из железа или малоуглеродистых (до 0,З5% С)¹ сталей. Стали могут содержать и легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, титан).

Производится цементация в специальных цементационных печах в среде углеродосодержащих газов. Глубина насыщения (слоя) для мелких деталей обычно составляет 0,1...0,3 мм, в остальных случаях - от 0,5 до 2,5 мм (наиболее часто 0,6...1,2мм).

На работоспособность цементируемой детали большое (часто решающее) влияние оказывает концентрация углерода в насыщенном слое; при 0,6...0,6% обеспечивается максимальное сопротивление хрупкому разрушению; усталостная прочность при изгибе достигает максимальных значений при 0,8...1,05%, а максимальные значения контактной выносливости получаются при содержании углерода в пределах 1,0...1,25%.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по своей толщине – она снижается от поверхности по направлению к сердцевине детали. В связи с этим изменяется по сечению цементованного слоя и микроструктура, как после медленного охлаждения с температуры цементации, так и после последующей термической обработки. На рис. 5 показано изменение микроструктуры по сечению цементованного слоя при насыщении его поверхностной зоны углеродом свыше 0,8%.

Микроструктура науглероженного слоя у поверхности соответствует строению заэвтектоидной стали (П+Ц_II), в которой вторичный цементит наблюдается в виде сетки по границам перлитных колоний (рис.5, а). С понижением углерода до 0,8% микроструктура (рис.5, б) соответствует эвтектоидной стали (П). За эвтектоидной зоной следует доэвтектоидная структура, переходящая в структуру исходной стали, содержащей феррит и перлит (рис.5, в).

а)

б)

В) в)

Рис.5. Структура цементованного слоя углеродистой стали 15, х100,

травление ниталем: а – заэвтектоидная (П+Ц_II); б – эвтектоидная (П);

в-доэвтектоидная (Ф+П)

Для получения в поверхностном слое высокой твердости (57... 63HRC) изделия после цементации подвергают закалке с низкотемпературным отпуском. На рис.6 показана микроструктура цементованного слоя после термической обработки.

а)

б)

в)

Рис.6. Структура цементованного слоя после термообработки, х50, травление ниталем: а – мелкоигольчатый мартенсит (М+А_ост), х500; б – крупноигольчатый мартенсит или троостомартенсит (М+Тр), х500;

в - основная структура (П+Ф), х500

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис.6, а) с небольшими изолированными участками остаточного аустенита¹. При содержании углерода свыше 0,8 % микроструктура содержит еще карбиды (цементит). Карбиды (цементит) в форме сетки по границам зерен резко увеличивают хрупкость. Недопустимы в значительном количестве и изолированные включения карбидов, так как они также снижают вязкость цементованной стали, особенно в углах и торцах деталей.

Под мелкоигольчатым мартенситом располагается зона троостомартенсита (рис.6, б), плавно переходящая в основную структуру, состоящую из феррита и перлита (рис.6, в). Для улучшения вязкости сердцевины деталей рекомендуется применять стали с мелким наследственным зерном (6…8 баллов).

Подобная микроструктура дает возможность судить о глубине цементирования, т.е. насколько далеко от поверхности простирается зона науглероженного металла. За эффективную толщину цементированного слоя принимают расстояние от поверхности детали до половины переходной зоны (зона Ф+П, на рис.6, в), где структура соответствует стали, содержащей 0,4…0,45%С, что соответствует твердости 50НRС.

Глубина цементации – наиболее важная характеристика производственного процесса. Она определяется по излому, микроструктуре или путем химического анализа стружки, послойно снимаемой с упрочненной поверхности детали.

В тяжелонагруженных деталях¹, работающих в сложных условиях весьма важное значение имеет и твердость сердцевины, для обеспечения наилучшей работоспособности и надежности. Твердость сердцевины таких деталей должна выдерживаться в пределах 29...43 HRC (такую твердость в сердцевине получают в легированных сталях) и иметь микроструктуру из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита².

В заключение приведена характеристика некоторых реально применяемых марок цементуемых сталей:

• при средних нагрузках - стали 20, 15Х,20Х,15ХР,18ХГН,20ХФ (среднепрочные с пределом прочности порядка 700 МПа; ударная вязкость свыше 60 Дж/см²);

• при повышенных нагрузках - стали 12Х2Н4А, 20ХН3А, 20Х2Н4А (с прочностью ~ 950…1150 МПа);

• при больших статических и ударных нагрузках - стали 18ХН4МА, 18Х2Н4ВА (высокий комплекс механических свойств: предел прочности 1000...1200 МПа, ударная вязкость больше 60 Дж/см²).