10. Цементация

Цементация – это химико-термическая обработка, при которой поверхность стальных деталей насыщается углеродом. Изделия нагревают в среде, легко отдающей углерод. Цементации подвер­гают, как правило, стали с низким содержанием углерода (0,1— 0,2% С). Подобрав режим, слой насыщают углеродом до нужной глубины.

Глубиной цементации условно считают расстояние от поверхности де­тали до половины зоны, где в структуре наряду с перлитом имеется примерно такое же количество феррита. Глубина цементованного слоя обычно составляет 1—2 мм, но при желании может быть и больше.

Степень цементации— это сред­нее содержание углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2% С).

Fe_ почти не растворяет углерода, поэтому при цементации изделия нагревают до температур выше A_s (930—950 °С). При таких температурах сталь приобретает структуру аустенита, растворяющего до 2% С. Глубина цементованного слоя зависит не только от температуры, при которой осуществлялся процесс, но и от времени выдержки при этой температуре. Обычно скорость цементации составляет примерно 0,1 мм за час выдержки. Поскольку глубина цементованного слоя редко требуется более 1,0—1,5 мм, процесс осуществляют за 8—12 ч. После цементации на поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящей из перлита и вторичного цементита. Посте­пенно, по мере удаления от поверхности, содержание углерода уменьшается и следующая зона состоит уже только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество по мере удаления от поверхности увеличивается и, наконец, структура становится отвечающей составу стали.

При больших выдержках или значительном увеличении температуры цементации может сильно вырасти зерно аустенита, что существенно ухудшает свойства цементованного слоя и потребует для исправления допол­нительной закалки. Так как посредством диффузионного насыщения удается только зафиксировать необходимый концентрационный профиль, то для получения высокой твердости и износоустойчивости поверхностного слоя при относительно вязкой сердцевине заготовки поcле цементации подвергают закалке и низкому отпуску.

Цементацию проводят в твердом, жидком и газообразном карбюри­заторах.

Наиболее распространенной является газовая цементация, имеющая ряд преимуществ перед другими способами.

При газовой цементации детали нагревают в герметических печах и атмосфере углеродсодержащих газов. Для газовой цемен­тации используют природный газ (содержит до 92—96% метана) или искусственные газы, полученные пиролизом жидких угле­водородов — керосина, бензола: СН₄ = С + 2Н₂; 2СО = С + СО₂. По сравнению с окисью углерода метан — более активный кар­бюризатор.

Газовая цементация малоуглеродистых сталей (содержащих менее 0,2 % С) проводится при температурах 920 - 950 °С, при этом оптимальная концентрация углерода в модифицированном

слое толщиной (0,5 - 2 мм) равна 0,8 - 0,9 % (но не более 1,2 %).

Жидкая цементация представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя материала углеродом из жидкой среды и осуществляется в расплаве солей с. добавкой карбида кремния (например 75 - 85 % Nа₂СО₃, 10 - 15 % NaCl, 5 - 10 % SiC). Карбид кремния реагирует с содой с образованием свободного углерода, который диффундирует в материал. Процесс насыщения проводится при 815 - 850 °С (в зависимости от состава стали) и применяется в основном для упрочнения сталей на малые глубины (до 200 мкм).

Цементация твердым карбюризатором. При таком способе це­ментации изделия помещают в металлические ящики, пересыпая их твердым карбюризатором — смесью древесного угля (75—80% объема) с активизаторами, которыми являются ВаСО₃ и Na₂CO₃. Ящики закрывают крышками, которые для большей герметичности обмазывают огнеупорной глиной. Затем их помещают в печь, где и нагревают до нужной температуры (900—950 °С). После оконча­ния процесса ящики вынимают из печи, охлаждают и извлекают из них детали.

Процесс цементации твердым карбюризатором по сравнению с газовой имеет ряд недостатков: на его осуществление требуется больше времени (много вспомогательных операций); трудно поддается автомати­зации и контролю; требуется больше обслуживающего персонала; оборудование громоздкое и т.п. Все это делает газовую цементацию более дешевым и современным процессом и сокращает применение твердой цементации.

Непосредственно после цементации изде­лие не приобретает требуемых свойств. Это достигается термической обработкой. После цементации изделия подвергаются закалке с низким отпуском. Это обеспе­чивает получение в поверхностном слое изделий высокой твердости при сохра­нении мягкой и вязкой сердцевины. На поверхности после цементации возникают напряжения сжатия, увеличивающие пре­дел выносливости и долговечность деталей. В результате такой термообработки цементируемый слой приобретает структуру высокоуглеродистого мартенсита или мартенсита с карбидными включениями и небольшим количеством остаточного аустенита. Поверхностный слой после трехступенчатой XТО имеет твердость HRC 58 - 62, а матрица - HRC 25 - 35.

Цементации подвергают контактные рабочие поверхности шестерен, валов, пальцев поршней, клапанов, кулачковых шайб и других деталей. Степень упрочнения зависит от марки стали, содержания углерода в цементированном слое, глубины цементированного слоя, прочности, вязкости и твердости матрицы.