Цементация

Категория:
Металлы


Цементация

Цементацией называется процесс поверхностного насыщения стали углеродом, приводящий к повышению твердости и износо-стойкости поверхности материала и к увеличению усталостной прочности детали.

По характеру вещества (карбюризатора), в котором ведется оцесс, цементация подразделяется на твердую, газовую и жид-“Рю Цементация твердым карбюризатором является широко распространенным процессом.

Основой твердого карбюризатора является древесный уголь, а иногда и кокс. Для увеличения интенсивности процесса цементации древесный уголь смешивают с ускорителями в виде углекислых солей щелочно-земельных и щелочных металлов. Типичный карбюризатор, применяемый при производстве летательных аппаратов и двигателей, содержит березовый уголь, 11 — 13% ВаСОз, 4% СаСОз и 1% Na2C03.

Зернистость карбюризатора зависит от характера изделия и колеблется от 3 до 8 мм.

При подготовке к цементации изделия помещают в ящик и упаковывают в карбюризатор таким образом, чтобы зазоры между ними, а также расстояния их от стенок ящика составляли 12—15 мм. Щели между крышкой и ящиком промазываются глиной. Слой карбюризатора под крышкой над верхним рядом деталей должен иметь толщину 30—40 мм. При этом изделия гарантируются от оголения при большом угаре карбюризатора и от воздействия газовой фазы, чрезмерно обогащенной кислородом.

Химизм процесса

Упакованная деталь помещается в печь и нагревается до температуры выше точки Ас3, т. е. до области аустенита, поскольку аустенит по сравнению с ферритом способен растворять гораздо больше углерода. Практически при цементации насыщение ведется до концентрации 0,8—1,1 % углерода.

Температура обычной цементации составляет 900—925 °С. Высокотемпературная цементация проводится при 1000—1020°.

При цементации в древесном угле химизм процесса характеризуется приводимыми ниже реакциями.

Образовавшаяся двуокись углерода вновь реагирует с рас-аленным углем и снова дает угарный газ. Так непрерывно в процессе цементации идет расходование и образование СО, выполняющего функции передатчика углерода.

Рис. 1. Изменение концентрации углерода по глубине цементованной зоны. Слои: I — заэвтектоидный; II — эвтектоидный; III — доэвтектоидный; IV — переходный; V — сердцевина

Распределение углерода и структура в зоне цементации

Содержание углерода в цементированном изделии существенно изменяется по глубине. В поверхностном слое оно обычно бывает эвтектоидным или заэвтектоидным, а в более глубоких слоях — доэвтектоидным, уменьшающимся по мере удаления от поверхности и достигающим на некотором расстоянии от нее состава исходной стали.

Глубиной зоны цементации называется расстояние от поверхности цементованного изделия до того слоя, в котором содержание углерода равно 0,4%. Изменение концентрации углерода по глубине цементованной зоны представлено на рис. 1.

Из графика видно, что зона цементации может быть разбита по содержанию углерода на три основных слоя: заэвтектоидный, эвтектоидный и доэвтектоидный, имеющих структуры соответственно перлит со вторичным цементитом, перлит и перлит с ферритом. Если цементация ведется только до эвтектоидного содержания углерода, то заэвтектоидный слой в зоне цементации, естественно, отсутствует.

В заэвтектоидном слое непосредственно после цементации допускается наличие сетки цементита, однако в готовом изделии такая структурная форма Fe3Cu представляет собой крупный дефект.

Наличие цементитного «скелета» в структуре детали может служить причиной разрушения ее при эксплуатации или образования шлифовочных трещин при обработке.

Поэтому цементитная сетка в науглероженном слое совершенно недопустима и она устраняется правильной термической обработкой цементованного изделия.

Глубина цементованной зоны выбирается из соображений сочности. Для обеспечения высокой усталостной прочности не-бходимо получить при цементации слой оптимальной толщины, °ависящей от величины поперечного сечения детали. Доказано, что распространение зоны цементации на глубину, меньшую и большую, чем оптимальная, приводит к снижению предела выносливости.

Для цементованных зубчатых колес ответственных конструкций за оптимальную глубину зоны цементации обычно принимают 1/6 часть толщины зуба у его основания. Значения глубины цементованной зоны для ответственных деталей колеблется в пределах 0,6—1,5 мм.

Скорость цементации для названного карбюризатора зависит от температуры и при 900° составляет 0,1 мм в час. При высокотемпературной цементации 1000—1020° она возрастает почти в три раза и составляет 0,25—0,3 мм в час.

Длительность цементации зависит от требуемой глубины слоя, выбранной температуры и средней скорости процесса. Так, например, для получения зоны глубиной 1,0 мм цементация при 1000° должна продолжаться 2 часа. При этом следует учесть, что в указанную зону входит весь слой, в котором содержание углерода выше, чем в сердцевине.

Термическая обработка цементованных изделий

Сразу после цементации в поверхностных слоях изделия наблюдается перлитная или перлито-цементитная структура, не обладающая достаточной твердостью.

Для получения хорошей структуры и высокого комплекса механических свойств цементованного изделия применяется термическая обработка, состоящая из двойной закалки с низким отпуском.

Первая закалка проводится с нагревом до температуры выше Лсз Для сердцевины и выше Аст для цементованного слоя. При этом происходит измельчение зерна сердцевины, выросшего в процессе цементации в результате длительной выдержки, а также растворяется сетка цементита. Быстрое охлаждение при закалке приводит к образованию в поверхностном слое структуры кРУпноигольчатого мартенсита. Эта структура не обеспечивает Юности изделия и подвергается исправлению при второй за-

При второй закалке изделие нагревается до температуры не-колько выше эвтектоидной, в результате чего происходит измельчение зерна наружного слоя, обеспечивающее получение при стром охлаждении структуры мелкоигольчатого мартенсита, ладающего высокой твердостью.

Отпуск, осуществляемый в заключение термообработки цементованного изделия, проводится при температурах 150—220°. При этом достигается уменьшение искаженности кристаллической решетки мартенсита и увеличение прочности цементованного изделия в целом.

Газовая цементация проводится с использованием в качестве карбюризатора богатого углеводородами газа. При этом деталь помещается непосредственно в нагревательную печь, куда подводится цементующая газовая фаза.

Наиболее часто применяется метан СН4 в смеси с газами-разбавителями: СО, N2, Н2 и С02. Разбавленный метан диссоциирует со скоростью, соответствующей интенсивности поглощения углерода цементуемым изделием. При отсутствии разбавителей происходит настолько интенсивное выделение углерода, что он в виде сажи осаждается на поверхности детали и препятствует процессу цементации.

Рассматриваемый процесс по сравнению с твердой цементацией обеспечивает более точное получение заданной толщины цементованного слоя.

Вместе с тем для газовой цементации требуются герметические печи и установки для выработки газа. Поэтому она находит применение преимущественно на крупных предприятиях.

Защита от цементации

Те места детали, которые не должны упрочняться, предохраняются от насыщения углеродом гальваническим омеднением. Толщина медного слоя обычно составляет 0,03—0,04 мм.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум