10 Цементация стали
(Лабораторная работа)
10.1 Цель работы
Практическое изучение метода проведения цементации в твердом карбюризаторе.
10.2 Задание
10.2.1 Изучить справочные данные. Ознакомиться с устройством и работой приборов, используемых в работе.
10.2.2 Провести эксперимент и занести полученные данные в таблицу 10.1.
10.2.3 Написать отчёт.
10.3 Оборудование и материалы на рабочем месте
10.3.1 Образцы из малоуглеродистой стали после цементации.
10.3.2 Микрошлифы цементованных деталей.
10.3.3 Твердомер Т.К.
10.3.4 Металлографический микроскоп МИМ–6.
10.4 План выполнения работы
10.4.1 Описать назначение, виды и сущность процесса цементации стали.
10.4.2 Описать процесс цементации в твердом карбюризаторе (состав смеси, реакции, протекающие при цементации).
10.4.3 По готовому микрошлифу определить исходное содержание углерода в стали, рассматривая сердцевину образца, определить марку стали.
10.4.4 Рассматривая поверхностную часть шлифа, определить глубину цементации у трех образцов с выдержкой 3 ч, 5 ч, 7 ч, зарисовать схему микроструктуры образца после 7– часовой выдержки.
10.4.5 Определить твёрдость сердцевины и поверхности образцов, предназначенных для термообработки (твердость измеряют с одного и другого торца). Результаты занести в таблицу 10.1.
10.4.6 Зарисовать график термообработки после цементации.
10.4.7 Назначить режимы закалки.
10.4.8 Провести закалку в воде.
10.4.9 Зарисовать схему микроструктуры после термообработки.
10.4.10 Построить график зависимости глубины цементации от её продолжительно-
сти.
66
Таблица 10.1 – Протокол лабораторной работы
10.5 Справочные данные
Многие детали машин по условиям эксплуатации должны иметь высокую твердость по-верхности при сохранении достаточной пластичности сердцевины (шестерни коробки скоро-стей, распредвалы, поршневые пальцы и др.). Высокая пластичность этим изделиям необходима для того, чтобы противостоять ударным, знакопеременным или изменяющимся по величине нагрузкам. Большая твердость поверхности обеспечивает её износостойкость, если детали од-новременно работают в условиях поверхностного трения. Стальные изделия с твердой поверх-ностью и мягкой пластичной сердцевиной можно получить путем химико–термической обра-ботки (Х.Т.О.) малоуглеродистых сталей, или поверхностной закалкой углеродистых сталей.
Химико–термической обработкой называется операция поверхностного насыщения сталь-ных деталей неметаллами (например, углеродом, азотом, кремнием) или металлами (алюмини-ем, хромом) путем их диффузии в атомарном состоянии из окружающей среды. Для осуществ-ления химико–термической обработки детали помещают в жидкую, твердую или газообразную среду (карбюризатор), нагревают до заданной температуры и выдерживают определенное вре-мя. При этом протекают следующие три процесса:
– выделение из среды карбюризатора диффундирующего элемента в атомарном состоя-
нии;
– поглощение (адсорбция) поверхностью детали активных атомов;
– проникновение элемента (растворение) в кристаллическую решетку железа.
Основные виды химико–термической обработки: цементация; азотирование; цианирова-ние, диффузионная металлизация.
Цементация – процесс насыщения поверхности детали углеродом. Цементации подверга-ют углеродистые и низколегированные стали с содержанием углерода 0,1…0,3%. Цементация проводится в твердом или газовом карбюризаторе. В качестве твердой среды используется кар-бюризатор состава: 70…75% древесного угля, 20…25% углекислого бария ВаСO 3 или Na 2 CO 3 и до 3% углекислого кальция CaСО 3 .
На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифо-вание 50–100 мкм. Детали, подвергаемые цементации, укладывают в ящик рядами на расстоя-нии 10–20 мм друг от друга и от стенок. После этого ящик помещают в печь, нагревают до
67
аустенитного состояния (910°…930°С), так как – железо активно растворяет в себе атомарный углерод. При нагреве происходят следующие реакции:
– кислород взаимодействует с углеродом карбюризатора и образует окись углерода:
2С + О 2 = 2СО;
– при контакте со сталью окись углерода разлагается на углекислоту CO 2 и атомарный
углерод:
2СО СО 2 + С атом;
– атомарный углерод диффундирует в поверхность, растворяясь в – железе.
-
BaCO
3
(Na
2
CO
3
) вводится в состав карбюризатора для активизации процесса образования
атомарного углерода, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:
ВаСO 3 + С ВаО + 2CO
Углекислый кальций добавляется для предотвращения спекания карбюризатора.
Скорость цементации зависит от температуры нагрева и составляет 0,12…0,17 мм/ч при 920°С. Следовательно, чтобы получить глубину цементации 1 мм необходимо выдержать де-таль в карбюризаторе при заданной температуре 6…7 часов. Практически цементацию осу-ществляют на глубину 0,5…1,8 мм.
На ремонтных предприятиях для цементации может быть использована паста следующего состава: сажа или древесный уголь, углекислый натрий, желтая кровяная соль и декстрин. Из этих компонентов приготавливается водяная смесь сметанообразного состояния. Пасту наносят на детали толщиной 4 мм. После высыхания нанесенного слоя детали укладывают в ящик и вы-держивают в течение часа при температуре цементации. Глубина цементации достигает 0,6…0,8 мм.
Поверхности, которые не должны подвергаться цементации, покрываются обмазкой, со-стоящей из 70% однохлористой меди, 30% свинцового сурика, замешанных на канифольном лаке.
Газовая цементация осуществляется в природном газе (СН 4 ), пропанобутановых смесях и других газах, содержащих углерод. Газовая цементация, по сравнению с твердой, имеет ряд преимуществ: сокращается длительность процесса на I5–20%, обеспечивается механизация процесса. Закалку деталей можно проводить непосредственно из печи. Прогрессивной является газовая цементация в агрегатах непрерывного действия, в которых нагрев осуществляется то-ками высокой частоты (ТВЧ).
Структура цементованного слоя изменяется в зависимости от степени науглероживания. Практически стремятся увеличить содержание углерода до 0,8%, в результате в поверхностном слое получаем структуру – перлит.
68
Рисунок 10.1 – Схема микроструктуры цементованного слоя
Длительная выдержка при повышенной температуре цементации, необходимая для по-лучения толстого слоя, может привести к более высокому содержанию углерода на поверхно-сти. Это вызывает появление грубой сетки цементита, которая не только ухудшает механиче-ские свойства цементованного изделия, но и способствует образованию микротрещин при за-калке стали. Если цементитная сетка незначительна, она рассосется при закалке. Для устране-ния грубой цементитной сетки необходим отжиг.
Наличие феррита на поверхности цементованных деталей также анормально и является следствием низких температур (723…850º) цементации, малым временем выдержки, или вы-звано тем, что карбюризатор истощён.
По толщине слоя концентрация углерода непостоянна и убывает от поверхности к сердцевине. За глубину цементации принимают расстояние от поверхности до структуры, в которой перлит занимает 50% площади шлифа. Схема микроструктуры цементованного слоя показана на рисунке 10.1.