Общие положения. Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементованных изделий приобретают после закалки и низкого отпуска.
Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.
Цементация широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование 0,05–0,010 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди (0,02–0,04 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле.
Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией подвергнуть промывке в 3 – 5% содовом растворе. Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе: • повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков; • сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы, так как отпадает необходимость в упаковке и распаковке деталей, хранении и транспортировке ящиков и карбюризатора; • сокращается потребность в жаростойком материале, так как расход его на муфели и приспособления при газовой цементации гораздо меньше, чем на ящики при цементации в твердом карбюризаторе; • появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности; • уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры; • появляется возможность непосредственной закалки деталей после цементации; • применение печей непрерывного действия позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс и установить агрегат для термической обработки в поточной линии механического цеха. Углеводороды являются основными науглероживающими газами, причем главную роль среди них играет метан.
Содержание метана в цементующей среде 1 – 40%. Окись углерода как науглероживающий компонент в условиях газовой цементации имеет второстепенное значение, хотя содержание ее в газовой фазе может достигать значительной величины (до 30%). Содержание кислорода и двуокиси углерода обычно невелико и в сумме не превышает 2 – 3%; содержание водорода, являющегося обезуглероживающим газом, в цементующей среде может достигать 80%. В настоящее время наиболее перспективным методом газовой цементации является насыщение в эндотермической атмосфере с контролируемым углеродным потенциалом.
В начале процесса (в активный период насыщения) поддерживают высокий углеродный потенциал атмосферы за счет добавки к эндотермической атмосфере необработанного углеводородного газа (метана или пропана- бутана). В диффузионный период углеродный потенциал атмосферы устанавливается 0,8 – 1,0% и количество добавляемого углеводородного газа резко уменьшается.
Принято различать полную и эффективную толщину цементованного слоя (см. рис. 3). За эффективную толщину принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5–1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность.
Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания.
Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой стали.