Краткие теоретические сведения. Цементация является одним из основных видов химико-терми­ческой обработки стали

Цементация является одним из основных видов химико-терми­ческой обработки стали. Цементация – это насыщение поверхностного слоя стали углеродом. Проводится для получения высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой пластичной середины. По­этому для цементации используют углеродистые и легированные ста­ли с содержанием углерода (0,1-0,25 %).

В зависимости от состояния насыщения среды цементация де­лится на твердую, газовую и жидкую.

При твердой цементации науглероживающим веществом является твердый карбюризатор, в состав которого входит древесный уголь с добавлением углекислых солей ВаСОз, СаСОз, NаСОз, К₂СОз, уско­ряющих процесс. Цементацию проводят при температурах 900-950 °С. Скорость цементации ориентировочно 0,1-0,12 мм/час.

При нагреве углерод образует окись углерода СО, которая при контакте с металлом разлагается по реакции

2СО → СО₂ + С_акт.

Активный (атомарный) углерод диффундирует в металл. Одновре­менно с разложением окиси углерода идет разложение углекислых солей по реакции

ВаСО₃→ ВаО + С_{2 ,}

СО₂ + С = 2СО,

2СО → СО₂ + С_акт (диффундирует в металл).

Газовая цементация происходит путем нагрева стали в газовой среде, содержащей углерод. В качестве среды используют светиль­ный газ, природный газ, газ пиролиза керосина, бензола и т. д. Основным компонентом этих газов является метан СН₄. Температура цементации 900-950 °С. При этой температуре метан диссоциирует по реакции

СН₄ → 2Н₂ + С_акт (диффундирует в металл).

Чем выше температура и продолжительность цементации, тем больше глубина цементованного слоя. Структура цементованного слоя образуется в соответствии с диаграммой состояния «железо-углерод» (рис. 23.1).

Из диаграммы состо­яния следует, что при температурах 900-950 °С (отмечено пунктирными линиями) максимальная растворимость углерода в аустените составляет 1,4-1,5 %.

Рисунок 23.1. Нижняя левая часть диаграммы Fe-C

После мед­ленного охлаждения в поверхностном слое образу­ется структура заэвтектоидной стали (перлит + вторичный цементит). По мере удаления от по­верхности образца к се­редине содержание углерода постепенно уменьшается, и структура переходит в перлит (структура эвтектоидной стали); далее появля­ется феррит, количество которого будет постепенно увеличиваться до исходной структуры феррита и небольшого количества перлита (структура доэвтектоидной стали) (рис. 23.2).

Рисунок 23.2 – Схема распределения углерода и структуры в стали после цементации

После цементации сталь подвергают термической обработке, в результате которой обеспечивается требуемая твердость и износос­тойкость поверхностного слоя, а также измельчается зерно в сердцевине и в поверхностном слое.

Существует три режима термической обработки стали после цементации.

1. Непосредственная закалка от температуры цементации. После цементации сталь подстуживают до 780 °С и закаливают в воде или масле в зависимости от марки стали. После закалки на поверхности получают структуру мартенсита с повышенным количест­вом остаточного аустенита, внутри – структуру феррита и перлита (сталь имеет низкую прокаливаемость). Для уменьшения количества остаточного аустенита сталь после закалки обрабатывают холодом.

2. Одинарная термическая обработка. После цементации сталь медленно охлаждают до комнатной тем­пературы (отжиг), затем закаливают от 850 °С. При нагреве перлит переходит в аустенит. Благодаря перекристаллизации зерно измель­чается, структура улучшается, а, следовательно, улучшаются меха­нические свойства.

3. Двойная термическая обработка. После цементации и медленного охлаждения до комнатной тем­пературы сталь нагревают выше точки Ас_з. Для стали, содержащей 0,2 % С, эта температура составляет 920 °С. При этой температуре происходит перекристаллизация перлита, феррита и растворение цементитной сетки на поверхности. Охлаждают в масле или на воздухе. Содержание углерода на поверхности стали больше 0,8 % С, поэтому температура 920 °С соответствует перегреву. Для устранения перегрева и придания высокой твердости поверхностному слою применяют вторую закалку от 750-780 °С. В этом случае перекристаллизации подвергается только перлит.

Для снятия напряжений после любого из режимов закалки дает­ся низкий отпуск (150-200 °С).