Механизм образования, строение и свойства цементованного слоя
Формирование слоя
Процесс формирования состоит из следующих физических явлений-
адсорбция атомарного углерода на поверхности цементуемой детали
диффузия углерода вглубь поверхности металла
Цементация осуществляется при температурах 930 -950 град С. При этом сталь находится в аустенитном состоянии ( хотя скорость диффузии углерода в ά - железе выше, но растворимость - ниже чем в γ железе). Предельная растворимость углерода в аустените зависит от температуры и определяется линией SE
Рис 4 Образование цементованного слоя: ( а- изотерма, б - кинетика)
На рис 4а видно, что при температуре 950 град С максимальная концентрация углерода в аустените равна 1,4% С. Однако, практически используется область меньших концентраций (заштрихована на Рис 4а). На Рис 4б показано, как нарастает концентрация углерода в поверхностном слое со временем.
Время, необходимое для создания цементованного слоя требуемой толщины определяется скоростью диффузии углерода Углерод, как известно, образует в железе раствор внедрения и диффундирует по межеузлиям кристаллической решетки железа. Приблизительно толщину слоя цементации можно оценить по формуле:
X = √2Dτ
Где:
X- толщина слоя
D – коэффициент диффузии
τ -время процесса
Скорость диффузии углерода в аустените возрастает с температурой и зависит от характера легирующих элементов:
карбидообразующие - замедляют диффузию
некарбидообразующие- ускоряют диффузию
При большой длительности процесса возможно образование свободного цементита на поверхности металла ( время 4 на Рис 4б) )
При медленном охлаждении цементованного слоя его строение соответствует диаграмме состояния железо- углерод - происходит от поверхности в глубину последовательная смена следующих структур:
1 заэвтектическая структура- перлит и вторичный цементит в виде сетки
2 эвтектическая структура - пластинчатый перлит
3 доэвтектическая структура- феррит и перлит
Рис 5 Изменение микроструктуры, содержания углерода и твердости в цементованном слое от поверхности в глубину
В случае легирования стали карбидообразующими элементами возникает аустенито - карбидная смесь ( например, появляется карбид (FeCr)3С - при легировании хромом)
Характеристиками распределения углерода в цементованном слоя являются:
концентрация углерода на поверхности
падение содержания углерода на расстоянии равном 1/3 от эффективной толщины слоя С1
наличие обезуглероженного слоя
Рис 6 Характеристики распределения углерода в цементованном слое:
а - для науглероженных деталей
б – для науглероженных и закаленных деталей
На Рис 6а Глубина проникновения углерода – это общая толщина цементованного слоя. Однако чаще используют понятие эффективной толщины
Эффективная толщина слоя-, расстояние от поверхности до зоны внутри слоя , где достигается заданное значение базового параметра. Например , как показано на Рис 6б, за базовый параметр принимается значение твердости 500HV , (соответствующее содержанию углерода 0,3 – 0,4%). В этом случае Глубина цементации на Рис 6бявляется эффективной толщиной. За базовый параметр может быть принята определенная определенная структура
В большинстве случает для обеспечения максимальной конструктивной прочности задают следующие значения параметров :
Поверхностная концентрация Спов чаще всего задается в пределах 0,7 – 0,9% С. Для повышения контактной прочности- увеличивают до 1,1%С
Градиент концентрации углерода у поверхности не должен быть резким - для возможности последующего шлифования слоя.
Обезуглероживание не допускается. Чтобы получить нужное распределение углерода нужно тщательно выдерживать режим цементации
Напряжения в поверхностном слое играют очень большую роль в конструктивной прочности детали При закалке после цементации в поверхностном слое образуется мартенсит, обладающий бớльшим удельным объемом, чем перлитные структуры сердцевины. Поэтому в поверхностном слое возникают напряжения сжатия, благоприятно влияющие на прочность и выносливость деталей. В подповерхностном слое возникают уравновешивающие напряжения растяжения, которые следует так же учитывать
Рис 7 Остаточные напряжения в детали из стали 20ХНМ после цементации, закалки и низкого отпуска (а) и после дополнительного наклепа поверхности дробью (б)
Как видно из этого рисунка, на глубине примерно 2 мм напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения. Точка этого перехода не должна лежать слишком близко к поверхности. Наклеп дробью (Рис 7б) иногда применяют для повышения усталостной прочности. При этом как видно из рисунка значительно возрастают напряжения сжатия в тонком поверхностном слое
Термическая обработка после цементации
Цель термообработки:
исправить структуру, измельчить зерно( цементованного слоя и сердцевины)
получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие свойства сердцевины ( сочетание прочности и вязкости)
устранить карбидную сетку в цементованном слое
Цементованная деталь является как бы сочетанием двух разных сталей – высокоуглеродистой (поверхность) и низкоуглеродистой (сердцевина).
Рис 8 Зависимость между достигаемой твердостью и содержанием углерода в цементованном слое стали 20ХМ после обычной закалки и закалки с температуры цементации (930 град С):
1 - для 100% мартенсита
2 – обычная закалка 825 град с, масло
3 – закалка с температуры цементации
Поэтому одной термообработкой весьма трудно добиться оптимальной структуры и свойств как в сердцевине так и на поверхности. Так. наивысшая твердость цементованного слоя достигается при неполной закалке .Если же закалку производить с температуры цементации, то в структуре поверхностного слоя будет много остаточного аустенита и твердость будет ниже, как показано на Рис 8. В то же время, неполная закалка для сердцевины приведет к появлению свободного феррита и пониженным механическим свойствам. Поэтому часто термическая обработка после закалки состоит из двух более этапов
Варианты термообработки:
Рис 9 Схема режимов термической обработки цементованной стали ( температура Ас3 , Аr3 для сердцевины)
1 – закалка с цементационного нагрева - самый простой и дешевый способ термообработки после цементации . Этот способ применяется, когда используются наследственно мелкозернистые стали и когда к деталям не предъявляют повышенных требований по механическим свойствам
2 – закалка с предварительным подстуживанием до температуры около 870 град С – это несколько выше температуры Аr3 для сердцевины. При этом в поверхностном слое образуется меньше остаточного аустенита, чем в варианте 1, меньше возникающие напряжения и коробление деталей
3. – изотермическая закалка ( с предварительным подстуживанием.)Применяется для легированных сталей. Образуется структура нижнего бейнита. При этом уменьшаются закалочные напряжения и связанные с этим искажения размеров, однако, увеличивается количество остаточного аустенита в поверхностном слое
4. – закалка с обработкой холодом. При закалке легированных сталей в поверхностном слое может образоваться до 30 – 40% остаточного аустенита. Чтобы уменьшить его количество детали непосредственно после закалки в масло переносят в холодильник с температурой -70 град С. При этом остаточный аустенит переходит в мартенсит
5 – двойная закалка: первая закалка (или нормализация) устраняет сетку цементита, вторая закалка может производится или с температуры Ас1(формирует оптимальные структуру и свойства поверхностного слоя) или с температуры Ас3 для сердцевины ( при этом формируется оптимальная структура и свойства сердцевины)
Заключительная операция термообработки- низкий отпуск- обычно при температурах 160-180 град С При этом мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска, снижаются напряжения и улучшаются механические свойства.
Оптимальная структура цементованного слоя- мелкоигольчатый мартенсит и изолированные участки остаточного аустенита (в количестве 15-20%)
Не допускаются
крупноигольчатый мартенсит
сетка цементита
избыточные скопления карбидов
сетка троостита
содержание остаточного аустенита свыше 25%
Основная причина снижения механических свойств деталей- присутствие немартенситных продуктов в цементованном слое
Оптимальная структура сердцевины – троостито – сорбитная структура, нежелательно присутствие свободного феррита
ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕМЕНТАЦИИ
Цементация твердым карбюризатором
В состав карбюризатора входят:
- уголь (или кокс) в зернах диаметром 3 - 10 мм
- активизатор BaCO3 Na2CO3 ( 10 - 40 % от массы угля)
Механизм возникновения активного углерода в карбюризаторе:
С + O2 2CO
CO CO2 + C (атомарный)
BaCO3 + C BaO + 2CO
При температурах выше 800 град С равновесия этих реакций сдвинуты в сторону образования атомарного углерода ( см Рис 1 )
Цементация при этом осуществляется в стальных ящиках, куда укладывают рядами цементуемые детали , пересыпая их карбюризатором:
Рис 10 Схема укладки деталей при цементации:1 – контейнер,2 – детали, 3 - карбюризатор
Объем деталей не должен превышать 20% от объема ящика
Стойкость ящиков составляет около 200 часов
Один из существенных недостатков этой технологии - длительность прогрева ящика. На 1 см толщины ящика необходимо от 7 до 9 мин времени прогрева. В итоге, для создания на детали цементованного слоя толщиной 0,7 мм в ящике шириной 150 мм необходимо 6 часов. Кроме того, нельзя произвести закалку с цементационного нагрева
Такой способ цементации ( в твердом карбюризаторе) используется в мелкосерийном и единичном производстве, так как он не требует использования специальных печей и другой сложной аппаратуры
Газовая цементация
Эта технология более совершенна, позволяет повысить качество цементации, но требует специальной аппаратуры
Газовой средой, в которой происходит насыщение поверхности стали углеродом является смесь газов:
N2 -CO2 - CO - H2 - H2O - CH4
В этой смеси :
N2 -CO2 - H2 - газы носители
- CO - CH4 - активные газы ( источники углерода)
Преимущества газовой цементации :
значительно меньше длительность процесса, чем в случае твердого карбюризатора
возможно получение слоев с заданной концентрацией углерода
появляется возможность автоматизации процесса
возможна закалка деталей прямо из печи, где проходит цементация
Необходимые газовые среды могут быть получены различным способом:
- из жидких углеводородов (керосин, синтин, спирты)
- путем частичного сжигания природного газа
- добавлением к азоту метана и других газов ( синтетические атмосферы)
Рассмотрим эти газовые среды
Среды из жидких карбюризаторов
Науглероживающие атмосферы получают из жидких углеводородов при их пиролизе - разложении при высоких температурах
Основные требования к жидким карбюризаторам:
- минимум сажи
- максимум газа на единицу веса карбюризатора
- минимум серы
Наилучшими свойствами в этом смысле обладают парафиновые углеводороды
СnH2n+2. Несколько хуже свойства нафтановых СnH2n и ароматических СnHn ( бензол C6H6) углеводородов- много сажи
Из керосинов наилучшими свойствами обладает Грозненский. Его состав:
60 % парафиновых, 25 % ароматических углеводородов. Из 1 куб см керосина получается при пиролизе 0,75 л газа и 0,4 г сажи
Вместо керосина часто применяют синтин - аналог керосина, но в нем содержится 90 % углеводородов парафинового ряда. Из 1 куб см синтина получают 0,8 л газа и 0,2 г сажи
Сравнительный расход различных углеводородных жидкостей: для получения цементованного слоя толщиной 1 мм при 930 град С нужно:
бензол - 8 г
керосин - 7 г
синтин - 4 г
Иногда для получения науглероживающей атмосферы используют бутиловый спирт
Контролируемые атмосферы-
- это продукт каталитической конверсии углеводородов с воздухом (эндогаз) или продуктами сгорания (экзогаз)
Эндогаз получают путем частичного сжигания метана CH4 при недостатке воздуха ( коэффициент полноты сгорания = 0,25). Примерный состав эндогаза
H2 40%
CO 20%
CO2 , CH4 H2O - следы
N2 - остальное
Важная характеристика эндогаза - точка росы, то-есть влажность газа. Чем газ суше ( точка росы ниже) тем выше его реакционная способность ( тем выше его углеродный потенциал и ниже – кислородный)
Рис 11 Схема получения эндогаза: 1- поступление метана, 2 – поступление воздуха,3 – выход эндогаза, 4 – катализаторы, 5 - корпус реактора, Q – подогрев реактора внешними источниками тепла
Реакция разложения метана идет в присутствии катализатора (пористая керамика с покрытием из солей никеля, меди , алюминия.
Недостаток эндогаза - его токсичность и взрывоопасность
Экзогаз получаю путем сжигания метана с коэффициентом =0.4...0,6- в нем меньше водорода.
Синтетические (азотные) атмосферы -
- их получают добавлением к азоту ( 80 %) метана и СО2 и вводят эту смесь прямо в печь - здесь не нужен газогенератор. В печи протекает реакция, в ходе которой высвобождается окись углерода:
CH4 + CO2 = 2CO + 3H2
Контроль углеродного потенциала
Углеродный потенциал атмосферы определяет ее насыщающую способность, поэтому необходимо его контролировать. Контроль возможен прямой и косвенный
Прямой контроль осуществляется по электросопротивлению датчика, представляющего собой проволоку из чистого железа, находящуюся в контролируемой атмосфере. При науглероживании проволочки ее электросопротивление возрастает пропорционально концентрации углерода
Косвенный контроль - путем отбора газа и проверки содержания в нем паров воды, двуокиси углерода и метана
Внутреннее окисление при цементации
Наличие в газовой атмосфере CO2 и H2O приводит к тому, что некоторые легирующие элементы могут окисляться, прежде всего это касается таких элементов как Ti, Cr, Si, Mn. Окисление имеет место на глубину 20 - 30 мкм