Химико-термическая обработка стали.

ЦЕМЕНТАЦИЯ.

Цементация - наиболее распространенный в машиностроении способ химико-термической обработки стальных деталей - применяется для получения высокой поверхностной твердости, износостойкостью и усталостной прочности деталей. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя низкоуглеродистой и нелегированной стали углеродом до концентрации эвтектоидной или заэвтектоидной и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою структуру мартенсита с тем или иным остаточным количеством остаточного аустенита и карбидов.

Глубина цементированного слоя обычно находится в пределах 0,5 - 2,0 мм (иногда для мелких деталей в пределах 0,1 - 0,3 мм, а для крупных - более 2,0 мм). Цементацию стальных деталей осуществляют в твердых, газовых и жидких карбюризаторах. За последние годы все большее развитие получает газовая цементация.

Диффузия углерода в сталь.

По количественной характеристике диффузии углерода в железо накоплены многочисленные данные.

Коэффициент диффузии углерода в a-железо более чем на порядок выше, чем в g-железо, имеющее значительно более плотно упакованную решетку.

Диффузия углерода в феррите обуславливает возможность протекание таких низкотемпературных процессов, как коагуляция и сфероидизация карбидов в отожженной стали, карбидообразование при отпуске закаленной стали, графитизация и т. д. Однако, цементация при температурах существования a-железа не производится ввиду ничтожной растворимости в этой фазе углерода. Цементация проводится при температурах 920-950 oС и выше, при которых сталь находится в аустенитном состоянии.

Концентрационная зависимость коэффициента диффузии углерода в аустените выражается уравнением:

Dc=(0,07 + 0,06C%)e -32000/RT

Или по другим данным:

Dc=(0,04 + 0,08C%)e -31350/RT.

Из приведенных зависимостей следует, что коэффициент диффузии углерода в аустените увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Это, очевидно, связано с увеличением искажения кристаллической решетки аустенита и термодинамической активностью углерода.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на диффузию углерода в аустените, что связано с искажением кристаллической решетки, изменением энергии межатомной связи в твердом растворе и термодинамической активности углерода.

Результаты изучения влияния легирующих элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените при 1100о С приведены на рисунке 1. При других температурах влияние некоторых элементов на коэффициент диффузии углерода в аустените изменяется. карбидообразующие элементы обычно замедляют, а некарбидообразующие ускоряют диффузию углерода. Однако, следует заметить, что это обобщение требует существенного уточнения. Так, например, кремний увеличивает коэффициент диффузии углерода в аустените при низких температурах (ниже 950о С), что согласуется с представлением о кремнии как о некарбидообразующем элементе, искажающем кристаллическую решетку аустенита и вследствие этого ускоряющем диффузию.

Сталь для цементации.

Цементированные детали после соответствующей термической обработки должны иметь твердый, прочный поверхностный слой, стойкий против износа и продавливания, и достаточно прочную и вязкую сердцевину. В связи с последним требованием для цементации применяют низкоуглеродистую сталь, содержащую 0,08 - 0,25 %С.

В последние годы для высоконагруженных зубчатых колес и других ответственных, в том числе крупных, деталей начали использовать цементуемую сталь с более высоким (0,25 - 0,35%) содержанием углерода. Поэтому оказалось возможным уменьшить глубину цементованного слоя, не опасаясь его продавливания при больших нагрузках, предотвратить преждевременное разрушение поверхностного слоя из-за пластической деформации слоев металла, лежащих непосредственно под этим слоем, а также закаливать сердцевину с более низкой температуры без перегрева цементованного слоя.

Положительное влияние повышения содержания углерода в цементованной стали отмечалось и в ряде последующих работ. Показано, что увеличение содержания в некоторых сталях углерода повышает предел их выносливости лишь в случае одновременного некоторого снижения глубины цементованного слоя.

Для цементации широко используют низкоуглеродистую качественную сталь (08, 10, 15 и 20) и автоматную сталь (А12, А15, А15Г, А20), а для неответственных деталей низкоуглеродистую сталь обыкновенного или повышенного качества (Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, М12, М16, Б09, Б16 и др.). ответственные изделия изготавливают из легированной стали.

Основное назначение легирующих элементов в цементуемой стали - повышение ее прокаливаемости и механических свойств сердцевины. Большинства легирующих элементов понижает склонность зерна стали к росту при нагреве, а некоторые из них улучшают механические свойства цементованного слоя.

Цементация в разных средах.

¨ Цементация в твердом карбюризаторе.

¨ Цементация в твердом карбюризаторе с нагревом током высокой частоты (далее т. в. ч.).

¨ Цементация в пастах.

¨ Цементация в пастах с нагревом т. в. ч.

¨ Газовая цементация.

¨ Высокотемпературная газовая цементация стали в печах.

¨ Цементация с нагревом т. в. ч.

¨ Ионная цементация.

¨ Газовая цементация кислородно-ацетиленовым пламенем.

¨ Цементация в жидкой среде.

¨ Цементация в расплавленном чугуне.

Как видно из приведенного списка видов цементации, их существует довольно много. Остановимся подробнее на газовой цементации, так как она используется довольно часто.

Газовая цементация.

Возможность цементации стали в газовой среде была показана еще в работе П. П. Аносова, выполненной в 1837 году. Однако только почти через сто лет (в 1935 г.) этот процесс начали впервые внедрять в производство в высокопроизводительных муфельных печах непрерывного действия на автозаводе им. Лихачева. При этом в качестве газового карбюризатора была использована среда, получаемая при пиролизе и крекинге керосина.

Для газовой цементации пока еще часто применяют шахтные муфельные печи и печи непрерывного действия с длинными горизонтальными муфелями из окалиностойкого сплава. Изредка применяют также печи с вращающимися ретортами. В последние годы начали получать все большее распространение безмуфельные печи непрерывного действия, нагреваемые излучающими трубками из стали Х23Н18 или Х18Н25С2.

Детали загружают в печи в поддонах (в корзинах) или в различных приспособлениях, на которых они располагаются на расстоянии 5 - 10 мм между цементуемыми поверхностями; мелкие детали загружают навалом на этажерки, помещаемые в корзины.

Для газовой цементации используют различные карбюризаторы - газы: природный (92 - 97% СН4); природный разбавленный для городских нужд (60 - 90% СН4); светильный (20 - 35% СН4, 5 - 25% СО): нефтяной (50 - 60% СН4): коксовый (20 - 25% СН4, 4 - 10% СО); сжиженные: пропан, бутан, пропано-бутановая смесь.