1. ЦЕМЕНТАЦИЯ

Цементацией (науглероживанием) называется химикотермическая обработка, заключающаяся в диффузиднном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде — карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки — придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые , чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевйна изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50—100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20— 40 мкм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящим из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.

Рис. 148. Схема распределения углерода (а) и твердости после закалки и низкого отпуска (б) по толщине цементованного слоя: эффективная толщина слоя; общая толщина слоя

Механизм образования и строение цементованного слоя. Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод . Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

При температуре цементации (выше точки диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения — из продуктов его распада — феррита и цементита. При этом концентрация углерода не достигает предела насыщения при данной температуре.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 148, а). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 149,- а): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита 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.

За эффективную толщину цементованного слоя часто принимают сумму заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоид-ной) зон (до содержания , что соответствует (см. рис. 148, б). Для многих изделий эффективная толщина слоя принимается после закалки до или для ответственных деталей.

Опыт показывает, что эффективная толщина цементованного слоя для деталей, изготовляемых из стали с содержанием

Рис. 149. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения (а) и закалки (б), Х200: 1 - заэвтектоидная зона цементит в виде тонкой сетки); 2 — эвтектоидная (перлит); 3 — доэвтектоидная зона (перлит — чернше, феррит — белые участки); эффективная толщина слоя

составляет наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. При содержании в стали толщину слоя уменьшают до а для деталей, работающих на износ, не испытывающих больших удельных нагрузок, — до от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять Для получения высокой контактной усталости содержание углерода может быть повышено до Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия

В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. На толщину слоя легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, практически не влияют.

Цементация твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы:

углекислый барий и кальцинированную соду в количестве массы угля.

Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, который добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатора. Рабочую смесь, применяемую для цементации, составляют из 25-35 % свежего карбюризатора и 65-75 % отработанного. Содержание в такой смеси что обеспечивает требуемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности.

Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20—30 мм, на который укладывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между ними и до боковых стенок ящика 10—15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 10—15 мм, на него укладывают другой ряд деталей и т. д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35—40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь.

Нагрев до температуры цементации (910-930 °С) составляет 7—9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5-6,5 ч для слоя толщиной 700—900 мкм и для слоя толщиной 1200—1500 мкм. При большем размере ящика (минимальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 700—900 мкм продолжительность выдержки равна а при толщине 1200— 1500 мкм — 11-14 ч.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400-500 °С и затем раскрывают.

Цементация стали осуществляется атомарным углеродом. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод образуется следующим образом. В цементационном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению .

Углерод, выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит:

Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода:

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют. нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод: Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В блучае разовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является:

При высоком содержании в атмосфере метана возможна реакция:

Процесс ведут при температуре 910-930 °С 6-12 ч ,(толщин а слоя 1000—1700 мкм).

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных печах. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом (керосин, синтин, спирты и т. д.). Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием цементующего газа.

В крупносерийном и массовом производствах газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия. В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) полностью механизирован, и автоматизирован. В печах непрерывного действия для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ, об. эндогаза (20 % СО, 40 % На и 40 % Ni) и 3—5 природного газа.

Основное преимущество эндотермической атмосферы — возможность автоматического регулирования углеродного. потенциала, под которым понимают ее науглероживающую способность, обеспечивающую определенную концентрацию углерода на

поверхности цементованного слоя. Углеродный потенциал эндотермической атмосферы устанавливают по точке росы, содержанию в ней или

При небольшом содержании в эндотермической атмосфере (до 5 об. %) не участвует непосредственно в процессе насыщения поверхности детали углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал атмосферы вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностном слое детали 1,2-1,3 % (активный период), а затем его снижают до 0,8 % (диффузионный период).

При использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое с до происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. Снижение в аустенйте концентрации углерода и легирующих элементов (в результате образования карбидов) приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в эндотермической атмосфере в сталь может диффундировать кислород. Это приводит к окислению, например, и других элементов поверхностного слоя стали мкм), обладающих большим химическим сродством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое образуются трооститная сетка и оксиды, что понижает его твердость и предел выносливости стали.

Скорость газовой цементации при температуре 930-950 °С составляет при толщине слоя до 1500—1700 мкм.

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей. Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое,

которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку от 820-850 °С.

Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из печи после подстуживания изделий до 840-860 °С для уменьшения коробления обрабатываемых изделий. Такая обработка не исправляет структуры цементованного слоя и сердцевины, поэтому непосредственную закалку применяют только в том случае, когда изделия изготовлены из наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле (160-180 °С).

После цементации термическая обработка иногда сострит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880-900 °С (выше точки сердцевины) назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь при быстром охлаждении не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом до 760-780 °G для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

В результате термообработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис. 149, б) и изолированных участков остаточного аустенита (до 30-50 %). Большое значение имеет прокаливаемость цементованного слоя, под которой понимают способность стали образовывать структуру мартенсита с на заданном расстоянии от поверхности. Образование в цементованном слое карбидов и внутреннее окисление, уменьшая количество легирующих элементов в аустените, снижает прокаливаемость цементованного слоя. Карбиды добавочно уменьшают прокаливаемость, играя роль готовых центров распада аустенита, снижая его устойчивость. Недопустимо образование карбидной сетки, резко повышающей хрупкость слоя. Изолированные карбиды также могут снизить вязкость цементованной стали, особенно в углах и на торцах деталей. Увеличение интенсивности охлаждения повышает прокаливаемость слоя.

Заключительной операцией термической обработки цементованных деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160-180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Структура сердцевины изделия из углеродистой стали состоит из сорбита, а легированных сталей из низкоуглеродистого

мартенсита или нижнего бейнита. Низкоурлеродистый мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Сохранение обособленных участков или сетки феррита нежелательно, так как это сопровождается снижением прочности, пластичности и вязкости цементованных деталей. Твердость. сердцевины для различных бталей составляет (см. рис. 148).

Цементация последующей термической обработкой повышает предел выносливости стальных изделий вследствие образования, в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия (до и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений при условии непрерывной протяженности упрочненного слоя по всей упрочняемой поверхности детали (см. с. 339).