Химико-термическая обработка стали. Технология цементации стали. Назначение. Область применения

  Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1 – 0,3 %. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Цементация является промежуточной операцией, цель которой — обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации. Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при температуре цементации.

Рисунок 1 – Участок диаграммы состояния Fe — Fe₃С, с указанием температуры цементации

При цементации деталь нагревают без доступа воздуха до 930 - 950°С в науглероживающей среде-карбюризаторе.

При газовой цементации в качестве карбюризатора используют разба­вленный природный газ (состоящий почти полностью из метана), контро­лируемые атмосферы, получаемые в специальных генераторах.

Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации является реакция диссоциация метана:

Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих деталь массовыми партиями. При указанной температуре (930 - 950°С) сталь имеет однородную аустенитную структуру. Аустенит растворяет углерод в большом количестве (до 2%).

Время выдержки при температуре цементации зависит от температуры, требуемой толщины упрочненного слоя и способа проведения цементации. Для получения упрочненного (цементованного) слоя толщиной 1 мм выдержка должна составлять 9-11 часов. После проведения цементации проводят металлографический анализ по определению толщины слоя. В результате цементации поверхностный слой деталей науглероживается (содержание углерода составляет 0,8 – 1% С), а в сердцевине остается 0,12 – 0,22% С. Для получения нужной структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическая обработка.

Применяется несколько вариантов термической обработки. Схемы различных вариантов термообработки приведены на рис.2.

Рис. - Схемы возможных вариантов термообработки после цементации

После цементации изделия подвергают закалке с отпуском. Это обеспечивает получение в поверхностном слое изделий высокой твердости при сохранении мягкой вязкой сердцевины, возникновение напряжений сжатия, увеличивающих предел выносливости и долговечность деталей.

По окончании газовой цементации используют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из печи после подстуживания изделий до 840 –860°С. Такая обработка не исправляет структуры науглероженного слоя и сердцевины и не приводит к измельчению зерна. Поэтому она применима только к наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий используют ступенчатую закалку в горячем масле 160 - 180°С.

Иногда для ответственных деталей термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 900°С назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при быстром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с разогревом до 760 – 780°С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в большом объеме технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.

Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180°С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит.

ВОПРОС 4