3.3.1. Цементация.

Цементацией называют процесс насыщения поверхности стали атомарным углеродом с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском. Насыщение ведут в углеродосодержащей среде (карбюризаторе), чаще всего в среде природного газа при температуре 930°С (920…950°С). При указанной температуре сталь имеет аустенитную структуру и поэтому хорошо растворяет углерод. Такой процесс называют газовой цементацией. Ее проводят в специализированных печах – агрегатах с автоматическим контролем и регулированием всех параметров процесса. Основу природного газа составляет метан, молекулы которого при температуре процесса диссоциируют с образованием атомарного углерода.

СН₄2Н₂+С′.

Возникает контакт образовавшихся активных атомов с поверхностью стального изделия и внедрение их в кристаллическую решетку аустенита. Эти атомы внедряются в вакантные места решетки («дырки»), которые образуются в очень большом количестве в кристаллической решетке в результате теплового воздействия.

По мере накопления атомов углерода на поверхности возникает диффузионный поток от поверхности вглубь и насыщение металла углеродом. Скорость насыщения характеризуется коэффициентом диффузии. Это количество углерода, проникающего в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока. Развитие процесса диффузии приводит к образованию поверхностного диффузионного слоя, толщина которого зависит от температуры процесса и продолжительности насыщения. При газовой цементации толщина слоя 0,5…2мм при скорости насыщения примерно 0,1мм/час и продолжительности от 5 до 20 часов.

Цементации подвергают детали из малоуглеродистых (до 0,25%С) сталей, как легированных, так и нелегированных. Обычная закалка таких сталей не обеспечивает заметного упрочнения из-за низкого содержания углерода. Схема цементации одной из таких сталей приведена на рис.27.

Рис.27. Схема цементации стали 25ХГТ.

Насыщение завершают по достижении в слое оптимальной концентрации углерода (0,8…1,0%) и заданной глубины слоя (чаще всего 1,0…1,5мм). После этого проводят подстуживание деталей до 850°С и закалку в масле с последующим низкотемпературным отпуском. Структура поверхностного слоя после насыщения, закалки и отпуска – мартенсит отпуска (М_ОТП), аустенит остаточный (А_О) до 25…30% и отдельные глобулярные карбиды, твердость 58…62HRC. Твердость ниже 58HRC нежелательна из-за снижения износостойкости и контактной выносливости стали. Твердость выше 62HRC также нежелательна из-за снижения усталостной прочности и ударной вязкости. Структура сердцевины зависит от прокаливаемости стали, размеров сечения детали и условий охлаждения. У деталей из легированных сталей с хорошей прокаливаемостью и сечением до 100мм структура сердцевины – малоуглеродистый мартенсит, или полумартенситная, с включениями тростита закалки, твердость до 40…42HRC. У деталей из углеродистых сталей с низкой прокаливаемостью структура сердцевины – тростит или сорбит в зависимости от сечения детали, твердость 28…35HRC.