Цементация стали

При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Поскольку для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке.

Различают два вида цементации: твердую и газовую.

При твердой цементации детали запаковывают в ящик, наполненный карбюризатором – науглероживающим веществом.

Карбюризатором является древесный уголь с различными добавками.

В ящике в промежутках между кусочками древесного угля, имеется воздух, кислород которого при температуре процесса (900–950°С) соединяется с углеродом, образуя окись углерода СО (образуется именно СО, а не СО₂ из-за недостатка кислорода).

Однако при температурах процесса окись углерода неустойчива и при контакте с железной поверхностью разлагается по реакции:

 

2СО ® СО₂ + С (1)

 

с образованием атомарного углерода, который поглощается поверхностью.

Таким образом, и при твердой цементации процесс протекает с образованием газовой фазы, т. е. цементация осуществляется газом, образовавшимся в ящике из карбюризатора.

Добавление к углю углекислых солей ВаСО₃, Na₂CO₃ (сода), K₂СО₃ (поташ) активизирует карбюризатор вследствие образования углекислого газа при разложении солей и реакции с углем:

 

ВаСО₈ ® ВаО + СО₂

О₂ + С ® 2СО

2СО ® СО₂ + С.

 

Применяемые на производстве карбюризаторы обычно содержат 10–30% углекислых солей.

Процесс твердой цементации – продолжительная операция и занимает в зависимости от требуемой глубины цементации часто не один десяток часов. Даже для образования слоя малой глубины, например в 1 мм, продолжительность цементации составляет несколько часов. Такая большая продолжительность процесса объясняется главным образом малой скоростью прогрева ящика, наполненного нетеплопроводным карбюризатором.

Увеличение скорости цементации достигается применением цементации в газовых средах.

При газовой цементации герметически закрытая камера печи наполнена цементирующим газом (чаще с определенной скоростью через камеру проходит газ). Время на прогрев ящика и карбюризатора при этом способе цементации не затрачивается, и скорость цементации (получение заданной глубины слоя) возрастет в тем большей относительной степени, чем меньшей глубины слой требуется получить.

Сейчас для массового производства газовая цементация является основным процессом цементации и только для мелкосерийного или единичного производства экономически целесообразен более простой способ твердой цементации.

Газовая цементация осуществляется в стационарных или методических (непрерывно действующих) конвейерных печах. Цементирующий газ приготавливают отдельно и подают в цементационную реторту.

Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды. Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:

 

2СО ® СО₂ + С (2)

С_nН_2n ® 2nН + пС (3)

С_nН_{2nn + 2} ® (2n + 2)Н + пС (4)

 

Наибольшее распространение в качестве газовых карбюризаторов получили предельные углеводороды (СН_{2n + 2}) – метан, этан, пропан, бутан и др., а из них – метан в виде естественного газа (92–96% СН₄).

Кроме естественного газа, применение получила цементация бензолом, который в виде капель подают в цементационную реторту, где образуется газ, состоящий главным образом из метана, окиси углерода и свободного водорода.

Как видно из приведенных выше реакций (3), (4), в результате распада углеводородных соединений образуется свободный углерод. Если поверхность стали не поглощает весь выделяющийся углерод (абсорбция отстает от диссоциации), то свободный углерод, кристаллизуясь из газовой фазы, откладывается в виде плотной пленки сажи на детали, затрудняя процесс цементации.

Поэтому для рационального ведения процесса газовой цементации нужно иметь газ определенного состава и регламентировать его расход.

Цементацию ниже критической точки Ас₁ не проводят, т. к. α-железо почти не растворяет углерод и при цементации ниже А₁ образуется лишь поверхностная корочка цементита очень небольшой толщины.

Практически цементацию проводят при 900–930°С, но имеется тенденция повысить температуру цементации до 950–970°С и выше.

Повышение температуры цементации, как следует из общих представлений о процессе диффузии, резко увеличивает глубину слоя.

Содержание углерода в поверхностном слое определяется при данной температуре пределом растворимости углерода в аустените (т. е. линией SE диаграммы железо – углерод). Следовательно, чем выше температура цементации, тем больше содержание углерода на поверхности (но оно не превосходит 2%).

Таким образом, на поверхности содержание углерода отвечает проекции точки, лежащей на линии SE диаграммы железо – углерод при данной температуре, и затем постепенно падает с удалением от поверхности в глубину изделия, доходя до исходного содержания углерода в цементуемой стали.

Таким образом, при температуре цементации в диффузионном слое получается аустенит переменной концентрации от 1,2–1,3% С (при температуре процесса 900°С) до 0,10–0,15% С.

При охлаждении от температуры цементации до нормальной произойдет превращение в соответствии с содержанием углерода в данном слое.

Структура цементированного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации показана на рис. 2.3. Поверхностная зона, в которой углерода больше 0,8–0,9%, имеет структуру перлит + цементит – это так называемая заэвтектоидная зона; затем следует зона с содержанием углерода около 0,8% – это эвтектоидная зона и, наконец, доэвтектоидная зона, содержащая углерода менее 0,7%, плавно переходящая в структуру сердцевины.

Цементацию рекомендуется проводить так, чтобы содержание углерода в наружном слое не превышало 1,1–1,2%. Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств вторичного цементита, сообщающего слою повышенную хрупкость.

Для этого не следует доводить концентрацию углерода на поверхности до предельной, определяемой линией ES диаграммы Fe – С, что можно сделать, уменьшив цементитную активность среды.

Для более эффективного ведения процесса цементации его вначале проводят при более высокой температуре, получая более высокую концентрацию углерода (1,3–1,4%), а затем, снижая температуру и углеродный потенциал, добиваются за счет диффузии из пересыщенных углеродом поверхностных слоев нужной концентрации углерода (0,8% С).

Нормальная структура заэвтектоидной зоны – пластинчатый перлит, окаймленный тонкой сеткой вторичного цементита (рис. 2.4, а). Однако иногда встречается и так называемая анормальная структура, в которой избыточный цементит находится в виде массивных включений (рис. 2.4, б) и зачастую окружен свободным ферритом. Эти грубые включения цементита при нагреве с трудом переходят в твердый раствор, который в этих местах не насыщен углеродом. Мягкие пятна, получающиеся после закалки на поверхности цементированных деталей, образуются часто у сталей, склонных к образованию анормальной структуры.

Задача цементации – получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость.

Pиc. 2.3. Mикpocтpyктypa цeмeнтиpoвaннoгo слоя пocлe медленнoгo oxлаждения

 

Рис. 2.4. Микроструктура заэвтектоидного слоя, × 500:

а – нормальная; б – анормальная

 

Типичные режимы термической обработки показаны на рис. 2.5.

 

Рис. 2.5. Режимы термической обработки цементированных деталей

 

Обычно закалку производят с цементационного нагрева, иногда после некоторого подстуживания и обработки холодом (рис. 2.5, а). Хотя этот режим самый экономичный в смысле продолжительности процесса и расхода топлива, он сохраняет крупнозернистость поверхностного слоя и сердцевину, зерно аустенита выросло в процессе длительного нагрева при цементации.

Поэтому когда к цементованным изделиям предъявляют повышенные требования в отношении механических свойств после цементации, охлаждение производят медленное и затем дается закалка с повторного нагрева (рис. 2.5, б) или даже двойная закалка (первая выше Ас₃ для сердцевины, вторая выше Ас₁ для поверхности (рис. 2.5, в). Многочисленные нагревы вызывают изменение размеров, поэтому, если термическая обработка дается по режимам на рис. 2.5, б или на рис. 2.5, в, цементированные изделия должны проходить шлифовку («под размер»), что обычно не делается в случае закалки с цементационного нагрева.

Если цементировали слабо прокаливающуюся углеродистую сталь, то структура сердцевины цементируемой углеродистой стали независимо от режима обработки состоит из перлита и феррита, отличающихся разным размером зерна (мелкозернистая в случае двойной обработки, более крупнозернистая – при одинарной, рис. 2.6, а, б).

 

 

Рис. 2.6. Микроструктура сердцевины цементированной углеродистой стали,

феррит + перлит, × 250:

а – закалка непосредственно после цементации;

б – закалка после регенерации зерна

 

В сердцевине цементированной детали из легированной глубоко-прокаливающейся стали образуется мартенсит (рис. 2.7). Ввиду низкого содержания углерода в таком мартенсите он не обладает хрупкостью.

 

Рис. 2.7. Микроструктура сердцевины цементированной

легированной стали, × 250

 

Во всех случаях цементированные детали после закалки для снятия внутренних напряжений подвергают отпуску при низкой температуре (150–200°С).

В результате такой обработки (закалка + низкий отпуск) поверхность должна иметь твердость 58–62 HRC, а сердцевина – 25–35 HRC для легированных и менее <20 HRC для углеродистых сталей.