28. Цементация сталей. Механизм образования, строение и свойства цементованного слоя.

Это процесс диффузионного насыщения стали углеродом при температуре 900..950 С в углерод-содержащей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементованных изделий формируются после закалки и низкотемпературного отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки: придать поверхностному слою твёрдость, износостойкость, повысить предел контактной выносливости и сохранить вязкую сердцевину.

Механизм образования, строение и свойство цементованного слоя.

П ри температуре t₁ образуется твёрдый раствор углерода в α-железе. По достижении предела насыщения углерода в α-фазе (точка а на рисунке), на поверхности образуется цементит. На границе раздела двух фаз (точка а) устанавливается перепад концентраций, а в микроструктуре образуется пограничная диффузионная линия. Углерод обладает большей диффузионной подвижностью в α-железе, чем в γ-железе, но цементация проводится только в области существования γ-фазы, так как α-фаза растворяет мало углерода, и цементованный слой будет состоять из цементитной корки. Такая деталь будет обладать малой работоспособностью. Цементацию проводят выше температуры А_С3 (GS) для данной стали, т.е. при температуре t₂ на графике. При температуре t₂ углерод диффундирует в γ-железе. При времени выдержки формируется диффузионный слой в γ-железе. При времени τ₄(точка bна SE) достигается предел насыщения углеродом аустенита. И далее, по мере поступления активных атомов углерода на поверхности будет происходить образование зародышей цементита. И по истечении длительного времени будет образовываться цементитная корка.

В практических условиях максимальной растворимости углерода в аустените мы не достигаем, т.е. карбидный слой в поверхности не образуется, так как концентрация углерода в поверхностной зоне меньше предела растворимости при данной температуре. Диффузия углерода осуществляется только в аустените. При температуре цементации мы имеем диффузионный слой, состоящий из аустенита с разным содержанием углерода от поверхности к сердцевине. При последующем медленном охлаждении аустенит претерпевает распад, и образуются последовательно от поверхности вглубь детали три зоны, имеющие разные структуры:

1. Заэвтектоидная структура (Перлит + Цементит_II)

2. Эвтектоидная (Перлит)

3. Доэвтектоидная (Феррит + Перлит)

По мере приближения к сердцевине, количество феррита увеличивается, а феррита – уменьшается. Структура сердцевины будет состоять из феррита + перлита. Например, для стали 20 – 25% перлита и 75% - феррита.

Если в поверхностном слое будет высокая концентрация углерода (1,2 .. 1,3 %С), то образуется грубая цементитная сетка или игольчатый цементит. Это будет ухудшать качество деталей.

В практических условиях для цементации используют не только углеродистые стали, но и легированные стали, в составе которых могут присутствовать 1..несколько легирующих элементов. Очень распространённой сталью для цементации является сталь 18ХГТ (0,18%С; Хром, Марганец, Титан – меньше 1%).

Е сли процесс цементации происходит для легированных сталей (например, 18ХГТ), то нужно рассматривать тройную диаграмму Fe-Cr-C (и её разрезы). В этом случае при насыщении может быть достигнута предельная концентрация углерода в аустените при меньшем содержании углерода. И, далее, в поверностном слое, образуется две фазы: аустенит и карбид. В момент насыщения аустенитно карбидная зона в цементованном слое возникает только при легировании стали карбидообразующими элементами, и, в первую очередь, хромом. Карбиды начинают образовываться по границам и стыкам зёрен, а с течением времени карбиды могут образовываться и внутри зёрен. Избыточные карбиды, в данном случае, имеют зернистую глобулярную форму.