производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 5.5 / 5.5.2 / 5.5.2.2. Цементация

Цементация — это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных деталей углеродом. Цементацию проводят для низкоуглеродистых сталей, содержащих до 0,25...0,3% углерода, которые называют цементуемыми. Это доэвтектоидные стали, их структура в равновесном (отожженном) состоянии — феррит (большая часть) и перлит. Твердость и прочность этих сталей низкие, а пластичность и ударная вязкость высокие. Из-за низкого содержания углерода они практически не закаливаются.

Цементацию проводят в карбюризаторах, средах, содержащих углерод, при 900...950 ºС, т.е. выше точки Ас3 — в области устойчивого аустенита (см. рис. 4.2). Выбор температуры объясняется тем, что растворимость углерода в аустените значительно выше, чем в феррите: до 2,14 % в аустените и 0,02 % в феррите, что соответствует точкам Е и. Р диаграммы состояния Fe — Fe3C (см. рис. 4.2). Чем выше температура нагрева, тем больше углерода может раствориться в аустените, но при этом растет размер его зерна. Скорость насыщения составляет примерно 0,1 мм/ч. Таким образом, для получения цементованного слоя глубиной 1 мм требуется не менее 10 ч.

Концентрация углерода в цементованном слое убывает от поверхности к сердцевине детали (рис. 5.23). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, эвтектоидную и доэвтектоидную со структурами соответственно П + ЦII; П и П + Ф (см. рис. 4.2). За эффективную величину цементованного слоя при из 50 % феррита и 50 % перлита (с содержанием до 0,4...0,45 % углерода).

Рис. 5.23. Изменение концентрации углерода в цементованном слое

Наличие зон с постепенно меняющейся твердостью обеспечивает ее плавное снижение от поверхности к сердцевине деталей, что исключает появление концентраторов напряжений, возникающих при резком перепаде твердости.

Применяют две технологии цементации: твердую и газовую. Твердая цементация осуществляется в карбюризаторе, содержащем активированный древесный уголь (70%) и порошки: ВаСО3 (25%) для интенсификации процесса и СаСО3 (5%) для предотвращения спекания угольных гранул. Детали укладывают рядами в стальные сварные или чугунные ящики (контейнеры). Дно ящика и каждый ряд деталей засыпают слоем карбюризатора. Ящик закрывают крышкой, герметизируют соединение огнеупорной глиной, а затем помещают в печь. Углерод древесного угля взаимодействует с кислородом воздуха, имеющегося в цементационном ящике, и углекислым барием, образуя оксид углерода СО: ВаСО3 + С → ВаО + 2СО, который диссоциирует с образованием атомарного углерода 2СО → СО2 + Сат

Сообразующийся атомарный углерод адсорбируется на поверхности стальных деталей и диффундирует вглубь, растворяясь в аустените. К недостаткам такой технологии следует отнести невозможность регулирования степени насыщения поверхности деталей углеродом, а также более низкую скорость цементации по сравнению с газовой (в 2 раза меньше), поскольку необходимо время для прогрева контейнеров и смеси. Твердая цементация применяется в условиях единичного и мелкосерийного производства, отличается простотой выполнения, не требует специального оборудования.

Газовая цементация характерна для серийного и более масштабного производства. Она осуществляется в среде газов, содержащих углерод. Наиболее часто используется карбюризатор, состоящий из смеси метана СН4 (природный газ) и оксида углерод а СО, при диссоциации которых образуется атомарный углерод:

Газовая цементация позволяет обеспечить заданную концентрацию углерода в слое, механизацию и автоматизацию процесса. Кроме того, процесс занимает меньше времени.

Сама по себе цементация не обеспечивает выполнения главной задачи — получения высокой твердости и износостойкости поверхности деталей. Она только создает выгодное распределение углерода по сечению детали. Необходимое упрочнение поверхностного слоя достигается последующей после цементации термической обработкой, состоящей из закалки и низкого отпуска (160... 180°С). Применяют различные технологии закалки в зависимости от требований к прочности поверхностного слоя и сердцевины деталей (рис. 5.24).

Для деталей, от которых требуется только поверхностная твердость, а прочие механические свойства не лимитируют работоспособности, закалку выполняют от температуры цементационного нагрева. Технология может быть реализована только при газовой цементации. Деталь, извлеченную из печи, охлаждают на воздухе до закалочной температуры (подстуживают), а затем окончательно охлаждают в закалочной среде (рис. 5.24, а). Подстуживание позволяет снизить термические закалочные напряжения. Такая технология является наиболее экономичной и легко подвергается автоматизации. Однако сталь имеет крупнозернистое строение и пониженные прочность и ударную вязкость. Более удовлетворительные свойства после такой обработки получают наследственно мелкозернистые стали.

Рис. 5.24. Технологии цементации и последующей термической обработки: а — закалка от цементационного нагрева с подстуживанием; б — одинарная закалка; в — двойная закалка

Наиболее распространенная технология — закалка деталей дополнительным нагревом после их охлаждения от температуры цементации до цеховой. В этом случае закалку выполняют от температур 820... 850 °С (рис. 5.24, б), которые несколько выше температур, обычно используемых при закалке заэвтектоидных сталей (780... 800 °С). При этом в результате перекристаллизации измельчается зерно не только цементованного слоя, но и частично сердцевины, потому что при закалке от таких температур сердцевина подвергается неполной закалке (см. подразд. 5.3.1 и рис. 5.15). На поверхности образуется структура мелкоигольчатого мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита (5...8%).

Тяжелонагруженные детали, для которых необходимы высокие прочность и ударная вязкость сердцевины, после цементации подвергают двойной закалке (рис. 5.24, в). Первая закалка выполняется от температуры выше точки Ас3. Структура сердцевины (это структура доэвтектоидной стали) при этом проходит полную перекристаллизацию и становится мелкозернистой. Однако в результате этой первой закалки на поверхности образуется структура крупноигольчатого мартенсита пониженной прочности. Вторая закалка выполняется от температуры несколько выше точки Ас1 (750...780°С) для измельчения зерна цементованного слоя (это структура заэвтектоидной стали), перегретого при первой закалке. Недостаток такой технологии — повышенное коробление деталей в результате двойной закалки.

Структура сердцевины зависит от состава стали. Для деталей из углеродистых сталей — это феррит и перлит; легированных— сорбит, троостит или низкоуглеродистый мартенсит в зависимости от уровня легирования стали. После цементации, закалки и низкого отпуска твердость поверхностного слоя составляет 58 ...62 HRC, а сердцевины — около 20 HRC для углеродистых сталей и 25—45 HRC для легированных. Таким образом, у деталей достигается сочетание высокой твердости поверхности (обеспечивается износостойкость) и высокой ударной вязкости сердцевины (хорошее сопротивление ударным нагрузкам).

Цементации подвергают детали, работающие в условиях повышенного изнашивания и динамических нагрузок (например, зубчатые колеса, червяки, кулачки, распределительные валики и т.п.). Цементации может подвергаться не вся поверхность изделия. В этом случае участки, не подлежащие цементации, защищают гальваническим омеднением либо специальными обмазками.

Типичный технологический процесс изготовления детали, упрочняемой цементацией и последующей термообработкой:

  • заготовительная операция;
  • предварительная механическая обработка (включая шлифование);
  • защита участков детали, которые не следует упрочнять;
  • цементация;
  • закалка;
  • низкий отпуск;
  • финишная обработка (шлифование).

После цементации и последующей термической обработки возникают деформации, поэтому проведение финишной обработки обязательно. Наиболее распространенная толщина цементованного слоя детали 0,8... 1,2 мм, следовательно, при цементации следует получать слой большей толщины — 1,2... 1,5 мм с учетом припуска на шлифование.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.