Цементация

Цементацией называется процесс насыщения по­верхностного слоя стальных изделий углеродом. Цемен­тация осуществляется с целью получения высокой твер­дости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойко­сти и предела выносливости.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагру­зок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т. д.).

Для цементации детали поступают после механиче­ской обработки с припуском на шлифование 0,05— 0,10 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), наносимым электро­литическим способом, или специальными обмазками, со­стоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементация осуществляется при температурах 900—950°С. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементация. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на по­верхности стали и диффундирует в глубь металла. В ре­зультате цементации содержание углерода в поверхност­ном слое составляет 0,8—1,0%. Более высокая концент­рация углерода способствует охрупчиванию цементован­ного слоя.

Цементованный слой имеет переменную концентра­цию углерода по толщине, которая уменьшает­ся от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоя­щую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.

За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства стаей составляет 0,8—1,4 мм.

Различают два вида цементации: твердую и газовую. Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.

Цементация в твердой среде

Карбюриза­тором является активированный древесный уголь (дубо­вый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы — углекислый барий, кальцинированную соду, поташ.

Подготовленные для цементации изделия укладыва­ют в металлический ящик. Предварительно в ящик насы­пают слой карбюризатора 20—30 см. Детали укладыва­ют слоями на расстоянии 10—15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей и т. д. Послед­ний слой засыпают карбюризатором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кла­дут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900—950°С.

В ящике между кусочками угля имеется воздух, кис­лород которого взаимодействует с углеродом карбюри­затора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с по­верхностью деталей, окись углерода диссоциирует.

Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. Добавление углекислых солей активизи­рует процесс цементации.

Продолжительность выдержки в печи при температу­ре цементации зависит от требуемой толщины цементо­ванного слоя. На практике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5-10,4 ч.

Для контроля над протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями заклады­вают «свидетели» - образцы диа­метром 10—15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. Во время цементации «свидетели» периоди­чески вынимают, ломают и по излому определяют тол­щину цементованного слоя.

Повышение температуры цементации до 950—1000° С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

Ящики после цементации охлаждают на воздухе и по­том разбирают. Участки изделия, не подлежащие цемен­тации, защищают, нанося гальваническое покрытие медью. После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпе­ратурному отпуску.

Структура сердцевины зависит от состава стали и ре­жима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных — из малоуглеродистого мартенсита.

Газовая цементация

В настоящее время газовая цементация является основным процессом це­ментации на заводах массового производства. При газо­вой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обра­ботка и, самое главное, можно получить заданную кон­центрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия. При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т. д. В печах непрерывного действия чаще используют ме­тан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углерод­ный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим полу­чение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3— 1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).

С этой целью в первую зону, занимающую примерно ²/₃ длины печи, подают газ, состоящий из смеси природ­ного (10—15%) и эндотермического (90—85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, на­ходящийся в равновесии с заданной концентрацией угле­рода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диффузии углерода в глубь металла и взаимодействия поверхности детали с эндотермической атмосферой концентрация уг­лерода на поверхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементован­ного слоя.

После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850—830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при тем­пературе 160—180° С.