4.4.1. Цементация

Процесс химико-термиче­ской обработки, заключающийся в диффузион­ном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде – называется цементацией.

Цемента­ция придает поверхностному слою высокую твер­дость и износостойкость, повышает предел вы­носливости при изгибе и кручении.

Цементируют детали, работающие в условиях трения, при больших давлениях и циклических нагрузках — шестерни, поршневые пальцы, распределитель­ные валы и др.

Цементация делится на твердую, газовую и жидкую.

В этом процессе науглероживающим веществом является твердый карбюризатор, в состав которого входят: древесный уголь (лучше березовый) с добавками от 20 до 25 % от веса угля углекислых солей: ВаСОз, СаСО₃, Nа₂СО₃, К₂СО₃, ускоряющих процесс.

Карбюризатор должен быть сухим. Содержание влаги в нем должно быть не более 6 %. Размер частичек карбюризатора должен быть в пределах 8 - 12 мм.

Детали закладываются в металлический ящик и засыпаются карбюризатором. Расстояние между деталями, стенкой ящика и деталью должно быть 20 - 30 мм. Карбюризатор слегка утрамбовывают, ящик замазывают глиной, вставляют "свидетели", затем ящик ставят в подогретую до 600 °С печь и вместе с печью нагревают до температуры цементации 900 - 930 °С. Через некоторое время "свидетели" вынимают, закаливают, ломают и определяют глубину цементированного слоя. Время цементации ориентировочно устанавливают из расчета 0,1 мм в 1 час.

При нагреве углерод образует окись углерода СО, которая при контакте с металлической поверхностью при высоких температурах разлагается по реакции

2СО → С0₂ + С _акт (диффундирует в металл)

С0₂ + С = 2СО реакция вновь повторяется.

Кислород при этом не расходуется.

Одновременно с разложением окиси углерода идет разложение и углекислых солей по следующей реакции:

ВаСОз → ВаО + С0₂

СО₂ + С = 2СО

2СО = СО₂ + С (диффундирует в металл).

Газовая цементация. Газовая цементация осуществляется путем нагрева изделий в газовой среде, содержащей углерод. Для газовой цементации применяются: светильный газ, газ пиролиза керосина, бензола и др.

Наибольшее применение получили газы, получаемые из пиробензола, керосина и др.

Основной составляющей этих газов является метан СН₄. Эти газы могут применяться как в чистом виде, так и в смеси с газами - растворителями. Изделия закладываются в предварительно разогретую муфельную печь, затем в печь подают газ. Температура цементации 930 - 950 °С. При этой температуре происходит диссоциация метана по следующей реакции:

СН₄ → 2Н₂ + С_акт (диффундирует в металл).

Глубина цементированного слоя зависит от температуры и времени цементации. Чем выше температура и больше время цементации, тем больше глубина слоя.

Однако увеличение температуры способствует росту аустенитного зерна, уменьшению срока службы огнеупорного муфеля. Эти недостатки могут быть устранены применением для нагрева токов высокой частоты (т.в.ч.). Температура цементации при этом повышается до 1000 - 1050 °С. За 45-50 мин при этой температуре получают слой глубиной 0,8 – 1,0 мм.

Газовая цементация по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе имеет ряд преимуществ:

1) время цементации сокращается, так как не требуется времени для прогрева большой массы плохо теплопроводного карбюризатора;

2) процесс газовой цементации легко регулировать и контролировать (состави расход газа);

3. процесс легко механизировать и объединить операции цементации с последующей термической обработкой;

4. улучшаются условия труда, сокращается необходимая площадь цеха, не требуется изготовления карбюризатора.

При медленном охлаждении после цементации в поверхностном слое будем иметь структуру заэвтектоидной стали. По мере продвижения вглубь содержание углерода будет постепенно уменьшаться. Структура от перлита и вторичного цементита перейдет к перлиту, далее будет появляться феррит и, чем дальше будем уходить от края образца, количество феррита постепенно увеличивается до исходной структуры - феррита с небольшим количеством перлита (С = 0,1 - 0,2%).

На микроструктуре цементованнного слоя можно различить (от поверхности, к сердцевине) три зоны (рис. 4.14, а): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита (1), образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную (2), состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону (3), состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

Рис. 4.14. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения (а) и закалки (б), х200 : 1- заэвтектоидная зона (перлит + цементит в виде тонкой сетки); 2 – эвтектоидная (перлит); 3 – доэвтектоидная зона (перлит –черные, феррит – белые участкм); Х_э – эффективная толщина слоя ( 50 HRC)

Термическая обработка после цементации. Термическая обработка после цементации должна обеспечить не только необходимую твердость и износоустойчивость поверхности, но также преследует цель измельчения зерна, как в сердцевине, так и в поверхностном слое.

Высокие температуры цементации и длительные выдержки способствуют росту зерна аустенита.

На практике существует три режима термической обработки после цементации.

1. Непосредственная закалка с температуры цементации 930 °С (рис. 4.15, а).

Изделия после цементации вынимают из цементационного ящика, охлаждают до 750 °С, затем закаливают в воде или масле, в зависимости от марки стали. После закалки получают на поверхности структуру крупноигольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита, внутри - крупнозернистую структуру феррита и перлита. Для уменьшения количества остаточного аустенита можно после закалки обработать сталь холодом. Этот метод является самым дешевым, он нашел широкое применение в массовом производстве при обработке неответственных деталей. Применяя наследственно мелкозернистые стали для цементации, можно избежать роста зерна.

Одинарная закалка. В этом случае изделие после цементации медленно охлаждается до комнатных температур. Затем дают закалку с температуры 850 °С (рис.15, б).

В этом случае благодаря перекристаллизации при нагреве зерно измельчают, структура улучшается, улучшаются и механические свойства.

3. Двойная термическая обработка (рис.15, в).

Изделие после цементации подвергается двойной перекристаллизации при нагреве. Первый нагрев преследует цель измельчения зерна сердцевины, поэтому нагрев стали ведут выше критической точки А_с, (для стали, содержащей 0,2 % С, t = 920 °С). При этой температуре нагрева растворяется и цементитная сетка в поверхностном слое. Охлаждение после выдержки можно вести в масле или на воздухе.

Рис. 15. Схема термической обработки стали после цементации:

непосредственная закалка с температуры цементации (а); одинарная

термическая обработка (б); двойная термическая обработка (в)

Для поверхности, где содержание С > 0,8%, эта температура нагрева будет соответствовать перегреву стали. Поэтому первый нагрев не измельчает зерна в поверхностном слое.

На рис. 4.16 приведена микроструктура стали (С = 0,2) после цементации при температуре 930°С. Практически содержание углерода в поверхностном слое стремятся получить равным 0,8 - 1,0 % С, так как наличие вторичного цементита по границам зерен придает поверхностному слою хрупкость. Этого можно добиться путем правильного выбора состава карбюризатора (твердого или газового).

Рис. 4. 16. - Микроструктура стали, содержащей С = 0, 2 % после цементации и последующего отжига, XI00

Вторая закалка производится с температуры 750 - 780 °С и преследует цель устранения перегрева и придания высокой твердости поверхностному слою. Применяется двойная закалка для особо ответственных деталей с крупным зерном.