12.1. Цементация стали
При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой, а сердцевина стали остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что сталь после цементации подвергается закалке.
Цементация выгодно распределяет углерод от поверхности, а термическая обработка (закалка) упрочняет деталь, поверхность и сердцевину.
Поверхность стали после такой обработки имеет высокую твердость и износостойкость при вязкой сердцевине.
Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода меньше 0,3 %, которые должны обладать:
- закаливаемостью на 29-43 HRC (углеродистые 08, 10, 15, 20; легированные 20ХГТ, 12ХН2);
- прокаливаемостью, обеспечивающей требуемую структуру сердцевины;
- наследственно-мелкозернистостью;
- хорошей технологичностью при насыщении углеродом и последующей термической обработке и обработке резанием.
Различают два вида цементации: твердую и газовую.
Долговечность и надежность цементированных деталей и допустимый уровень их нагружения при эксплуатации определяются следующими параметрами:
- составом стали;
- толщиной и структурой цементированного слоя (рис.12.1);
- наличием дефектов в слое;
- твердостью поверхностных слоев и сердцевины.
Рис. 12.1. Толщина и структура цементированного слоя
На цементацию детали поступают с припуском на шлифование 0,05- 0,1мм; температура цементации выше Ас3 (930-950 оС). В твердом карбюризаторе 1 мм слоя образуется в течение 8-10 ч, в газовом - 1 мм образуется за 6 - 7 ч.
Твердый карбюризатор - древесный активированный уголь, каменноугольный полукокс и торфяной кокс с добавками активизаторов (BаCО3 и Na2СО3) в количестве 10 - 40 % от веса угля.
Газовый карбюризатор - природный газ и жидкие углеводороды.
Для неответственных деталей закалка их может производиться сразу с температур цементации (рис. 12.2,а) или после повторного нагрева до температуры выше Ас1 на 30 оС и охлаждении в воде (рис. 12.2, б).
Для ответственных деталей после цементации делают двойную закалку с нагревом выше Ас1 + 30 оС и охлаждением в воде (рис. 12.2, в).
После любого режима термической обработки делается низкий отпуск (160-180 оС).
Глубина цементированного слоя составляет 0,5 - 2,0 мм (иногда до 4 мм) с концентрацией углерода 0,8 - 1,2 % ( рис. 12.1).
За глубину цементированного слоя принимают глубину слоя со структурой заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной стали с содержанием углерода более 0,4 % (рис.12.1).
Цементация Подстуживание Отпуск Обработка
холодом Цементация Закалка Отпуск Отпуск 2-я
закалка 1-я
закалка Цементация
Время
Рис. 12.2. Режимы термической обработки цементированных деталей
При цементации получаем твердость поверхностного цементированного слоя углеродистой стали 60-64 HRC (900HV), для легированной 58-61HRC (снижение твердости происходит за счет наличия в структуре остаточного аустенита); твердость сердцевины составляет 20-35HRC.
12.2. Азотирование стали
Азотирование – это процесс насыщения поверхностного слоя азотом.
Цель такой обработки изделия: получение высокой твердости, износостойкости, повышенной усталостной прочности, сопротивления коррозии. Карбюризатором является аммиак (NH3 → 3H + N).
Азотированию при температуре 500 - 600 оС с выдержкой до 60 часов подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку и высокий отпуск).
К азотируемым сталям относятся среднеуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, алюминием (38Х2МЮА, 35ХМА, 38Х2Ю).
Глубина азотированного слоя составляет 0,3 - 0,6 мм, скорость азотирования – 0,01 мм/ч и менее.
Твердость азотированного слоя по Виккерсу составляет ~ 1200HV.
Азотированию подвергают мерительный инструмент, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса, шестерни, втулки, коленчатые валы.