Цементація сталі

Хіміко-термічна обробка (ХТО) — один із найефективніших методів підвищення надійності та довговічності машин і механізмів, істотно збільшує твердість поверхневого шару деталей, їх зносостійкість, опір корозії.

Найбільш розповсюджені процеси ХТО сталей — цементація, азотування і нітроцементація. Для них розроблені високопродуктивні та легковідтворювані технології. Інші процеси ХТО — борування, алітування (насичення алюмінієм), хромування – застосовуються ще недостатньо, але деякі з них, наприклад, борування, можуть бути високо ефективними, дешевими й екологічно чистими.

Усі методи ХТО засновані на явищах дифузії атомів із навколишнього середовища деталі. В основі ХТО лежать такі елементарні процеси: дисоціація — утворення активних атомів; адсорбція — захоплення і поглинання активних атомів поверхнею металів; дифузія — проникнення атомів у метал на визначену глибину.

Один із найрозповсюдженіших видів ХТО — цементація — насичення поверхні сталі вуглецем. Для деталей, що працюють в умовах тертя та ударних або динамічних знакозмінних навантажень, необхідні висока твердість та обумовлена нею зносостійкість поверхневого шару в поєднанні з досить міцною й в'язкою серцевиною. У зв'язку із цим для цементації використовують сталі з малим умістом вуглецю — 0,15–0,20%. Цементація може виконуватися у твердому й газовому середовищах (постачальників вуглецю). Важливо правильно визначити температуру цементації, оскільки потрібно забезпечити перехід сталі в аустенітний стан, за яким розчинність вуглецю буде більшою за 0,8%, тоді як в α-залізі при 727 °С розчиняється всього 0,02% вуглецю. Підвищення температури веде до росту зерен, що знижує в'язкість та пластичність сталі. Цементація у твердому середовищі не потребує спеціального устаткування й може виконуватися в термічних печах. Деталі кладуть у металевий ящик і засипають твердим карбюризатором (сумішшю дерев'яного вугілля й вуглекислих солей барію і натрію). Ящик герметично закривається і завантажується в піч при 920–950°С. У процесі нагрівання за відсутності кисню в ящику йде неповне згоряння вугілля та утворюється оксид вуглецю СО, що дисоціює потім з утворенням атомарного вуглецю. Останній поглинається поверхнею деталі й дифундує в глибину металу. Вуглекислі солі активізують процес. Швидкість насичення за твердої цементації складає приблизно 0,12 мм/год. Цементація у твердому карбюризаторі використовується, як правило, в одиничному або в малосерійному виробництві. Її вади — велика тривалість, забруднення приміщення вугіллям, ріст зерна, необхідність нормалізації деталей перед гартуванням.

Для серійного виробництва більше підходить газова цементація в середовищі природного газу, який за високої температури розкладається на водень і вуглець в атомарному стані. Швидкість насичення в цьому випадку — 0,15 мм/год. Переваги газової цементації — скорочення тривалості, можливості повної механізації й автоматизації, проведення гартування безпосередньо із цементаційної печі.

Якість цементації визначається товщиною цементованого шару і вмістом вуглецю на поверхні, граничне значення якого не повинне перевищувати 0,9%, тому що подальше його зростання призводить до появи надлишкового цементиту у вигляді сітки по межах зерен і збільшення крихкості металу.

Після цементації поверхневого шару деталі одержують хімічний склад та структуру, близькі до евтектоїдної сталі (рис. 11.1). У міру віддалення від поверхні простежується плавний перехід від перлітної структури до перліто-феритної. Серцевина деталі зберігається маловуглецевою й має феритно-перлітну структуру.

Рисунок 11.1 - Структура цементованого шару сталі 20

Товщина цементованого шару звичайно не перевищує 1–1,5 мм. За технічну товщину цього шару беруть суму заевтектоїдної (біля самої поверхні), евтектоїдної та половину перехідної зони, яка повинна мати не менше ніж 40% перліту. Цементація сама собою не забезпечує потрібних експлуатаційних властивостей (високої твердості, зносостійкості, втомної витривалості). Перелічені властивості в цементованих деталях досягають у результаті наступної термообробки — гартування і низького відпускання. Якщо за цементації відбувається перегрівання, то для здрібнення зерна перед гартуванням виконують фазову кристалізацію — відпалювання або нормалізацію. Після кінцевої термообробки поверхня цементованої деталі набуде структури високовуглецевого мартенситу із твердістю HRС 60–64. Серцевина деталі зберігається маловуглецевою і має для глибоко прогартовуваних сталей структуру маловуглецевого мартенситу зі значним запасом в'язкості та пластичності.