Цементация

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердыми углерод-содержащими смесями (карбюризаторами) и газовую. Целью цементации является получение твердой и износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают и предел выносливости.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,12-0,23% С). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердце­вина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Для цементации детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование 0,05—0,10 мм или после окончательной обра­ботки (например, автомобильные шестерни). Во многих случаях цемента­ции подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,02-0,05 мм), которую нано­сят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста или окиси алюминия и талька, замешанных на жидком стекле и др.

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 (СО, СН₄ и др.). Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. Толщина (эффективная) цементованного слоя обычно составляет 0,5-1,8 мм. Чем выше температура, тем больше толщина слоя, получаемая за данный отрезок времени.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8—1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной уста­лости количество углерода может быть повышено до 1,1 – 1,2%. Более вы­сокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия.

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементуемого слоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии возможно образование двух­фазного слоя – аустенит и карбиды, имеющие глобулярную форму. В этом случае средняя суммарная концентрация углерода на поверхности может превышать растворимость углерода в аустените при данной температуре. Нередко концентрация углерода в сталях, содержащих Cr, Mn, W, Мо или V, достигает 1,8-2,0%.

Цементация твердым карбюризатором. В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах попе­речником 3,5 – 10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы: углекислый барий (ВаСО₃) и кальци­нированную соду (Na₂CO₂) в количестве 10 – 40% от массы угля.

Широко применяемый карбюризатор состоит из древесною угля, 20 – 35% ВаСО₃ и ~ 3,5% СаСО₃. Рабочую смесь, применяемую для це­ментации, составляют из 25 – 35% свежею карбюризатора и 65 – 75% отра­ботанного. Содержание ВаСО₃ в такой смеси 5 – 7%, что обеспечивает тре­буемую толщину слоя и исключает образование грубой цементитной сетки на поверхности.

Изделия, 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 деталями и до боковых стенок ящика 10 – 15 мм. Затем засыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 10 – 15 мм, на него укладывают другой карбюризатора ряд деталей и т.д. Последний (верхний) ряд деталей засыпают слоем 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 ⁰С) 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 0,7 – 0,9 мм и 9 – 11 ч для слоя толщиной 1,2 – 1,5 мм. При большем размере ящика (мини­мальный размер 250 мм) для получения слоя толщиной 0,7 – 0,9 мм продол­жительность выдержки равна 7,5 – 8,5 ч, а при толщине 1,2 – 1,5 мм – 11 – 14 ч.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400 – 500 ⁰С и затем раскрывают.

Цементацию стали производят 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:

2СО → СО₂ + С_ат.

Углерод, выделяющийся в результате этой реакции в момент его обра­зования, является атомарным и диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в це-метацнонном ящике окисью углерода:

ВаСО₃ + С → ВаО + 2СО.

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 случае газовой 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 изделий, так как можно производить закалку не­посредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использо­вании в качестве карбюризатора природного газа, состоящею почти по­лностью из метана (СН₄) и пропанбутановых смесей, подвергнутых спе­циальной обработке, а также жидких углеводородов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации, является дис­социация окиси углерода и метана:

2СО → СО₂ + С_ат.

Дата добавления: 2015-05-06