Структура и свойства цементованной стали

Структура и свойства цементованной стали

Цель работы: ознакомиться с технологией цементации изделий и режимом их термической обработки, изучить микроструктуру цементованного слоя, определить его глубину.

Приборы: металлографический микроскоп, набор микрошлифов цементованных сталей после медленного охлаждения и термически обработанных.

Цементация — это один из способов химико-термической обработки стали, заключающийся в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали. Процесс цементации известен с давних пор. До середины прошлого века сталь умели получать методом сквозной цементации железа.

Назначение цементации и последующей термической обработки — придать поверхностному слою высокую твердость, износостойкость, повысить предел выносливости при сохранении вязкой и пластичной сердцевины.

При цементации происходит, поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего образуется высокоуглеродистый поверхностный слой.

Проникновение углерода в сталь возможно только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии. Атомарный углерод абсорбируется поверхностью стали, и диффундирует в глубь металла.

Поэтому цементация, как и любая ХТО, включает три последовательные стадии:

1. Диссоциация- распад молекул с образованием активных атомов насыщающего элемента. Процесс идет в газовой среде вблизи поверхности или непосредственно на поверхности металла.

2. Абсорбция — поглощение поверхностью металла свободных атомов и растворение их в металле. Процесс происходит на границе, газ-металл и возможен при условии возможности растворения диффундирующего элемента в основном металл.

3. Диффузия- проникновение насыщающего элемента вглубь металла. Процесс происходит при достаточно высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию атомам.

В результате диффузии на поверхности металла образуется максимальная концентрация дифузирующего элемента, которая понижается по мере удаления от поверхности (рис 1).

Глубина диффузионного слоя, характеризуется величиной «у», которая прямо пропорционально зависит от температуры и времени процесса, концентрации диффундирующего элемента на поверхности.

Для цементации применяются низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углероде 0,1-0,3 % Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Детали на цементацию поступают после механической обработки с припуском (60-I00 мкм) на шлифование.

Цементация проводится при температуре выше точки АС₃(900-950 0 С), когда сталь находится в состоянии g- фазы (аустенита) и способна растворять в себе до 2% углерода.

Различают два основных вида цементации — в твердой и, в газовой средах.

Твердая цементация обычно проводится в карбюризаторе, состоящем из смеси древесного угля с 10-40% активизирующих процесс углеродистых солей- BaCO₃, Na₂CO₃, K₂CO₃.

Детали, подлежащие цементации, помещаются в стальные ящики засыпаются карбюризатором и помещаются и печь. Кислород воздуха в ящике взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. В присутствии железа она диссоциирует по уравнению.

Атомарный углерод диффундирует в решетку g — железа и насыщает его до предела, определяемого линией: SE диаграммы железо-цементит.

После цементизации ящики охлаждают на воздухе до 400-500 0 С и раскрывает. Процесс твердой цементации весьма продолжительный и может длиться до десяти и более часов, где много времени затрачивается на прогрев ящиков.

Основным способом цементации в массовом производстве на сегодняшний день, значительно сокращающим длительность процесса, является цементация в газовых средах. Здесь цементация осуществляется в шахтных печах периодического действия, либо в без муфельных печах непрерывного действия. В качестве карбюризатора используется природный газ, состоящий в основном из метана (СН₄), жидкие углеводороды (бензол, синтин, керосин и др.), подающиеся в виде капель в реторту печи и испаряющиеся с образованием атомарного углерода.

Процесс идет при температуре 900-950 0 С с основными реакциями:

2СО ® СО₂ + С атомарный

Глубина науглероживания при цементации составляет 0,5-2 мм при скорости О,I2 — 0,I5 мм/час. Процесс цементации изменяет структуру стали в поверхностном слое. При оптимальном режиме цементации после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: (рис 2)

на поверхности заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита; звтектоидную, состоящую из однородного пластинчатого перлита и доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита. По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита уменьшается, а феррита увеличивается.

За глубину цементованного слоя принимается сумма заэвтектоидной, эвтоктоидной и половины доээтектоидной зон (до содержания 0,4-0,5 % С).

Независимо от способа цементации концентрация углерода в поверхностном слое не должна превышать 1,1-1,2 %. Более высокое содержание ведет к повышению хрупкости стали.

Задача цементации — получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине не решаются одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованно детали последующая закалка, после которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а сердцевина сохраняет нужную твердость и высокую вязкость. После закалки для снятия внутренних напряжений цементованные детали подвергают низкому отпуску при температурах 150-200 0 С.

В итоге обеспечивается твердость поверхности HRC 58-62 и сердцевины – HRC 25-35 для легированных сталей. Для углеродистых твердость сердцевины еще ниже.

При назначении режима термической обработки цементованных деталей необходимо учитывать следующие обстоятельства:

l. Длительный нагрев при цементации вызывает рост аустенитного зерна.

2. Цементованные детали имеют неравномерное распределение углерода по сечению – 0,8-1,2 % с поверхности и 0,I-0,3 %- в сердцевине.

В зависимости от требований, которые предъявляются к цементованным деталям, применяются различные варианты термической обработки (рис 3).

1. Закалка с цементационного нагрева (900-950 0 С). Это наиболее простой способ, применяется после газовой цементации для деталей, от которых требуется только поверхностная твердость. Другие механические свойства здесь невысоки, т.к. при таком режиме не устраняется крупнозернистое строение, полученное в результате длительной выдержки при цементации. На поверхности образуется структура крупно игольчатого мартенсита с большим количеством остаточного аустенита из-за закалки с высоких температур, что ведет к снижению твердости. В сердцевине структура крупнозернистых феррита и цементита.

Однако закалка с цементационного нагрева обеспечивает меньшую деформацию деталей и значительно дешевле по сравнению с другими режимами.

Недостатки этого способа в значительной степени можно уменьшить, если применять:

1) наследственно мелкозернистые стали;

2) подстуживание после цементации до 750-800 0 С; это не снижает количество А ост., но уменьшает внутренние напряжения:

3) обработку холодом, которая обеспечивает дополнительное превращение А ост. и повышение твердости поверхностного слоя.

П. При повышенных требованиях к структуре и свойствам деталей они охлаждаются после цементации на воздухе, а потом подвергается закалке с температуры 650-900 0 С, которая выше верхней критической точки (АС3) для сердцевины и поверхности. В результате в сердцевине происходит полная перекристаллизация и зерно измельчается. В поверхностном слое растворяется цементитная сетка, если она образовалась при цементации и образуется структура крупно игольчатого мартенсита, т.к. такой нагрев является перегревом для эазвтектоидной стали (оптимальной температурой нагрева заэвтектоидной стали под закалку является А_С1+(30+50 0 С).

Конечной операцией является низкий отпуск при температуре 150-170 0 С.

III. При особенно высоких требованиях к цементованным деталям применяется двойная закалка с низким отпуском. Первая закалка проводится с температур выше критической точки АС₃ сердцевины. Цель ее — уменьшить структуру сердцевины и растворить цементитную сетку, в поверхностном слое.

Вторая закалка проводится с температур, оптимальных для поверхностного слоя (на 30-50 0 С выше А_С1). Цель ее — устранить перегрев на поверхности, полученный при первой закалке и обеспечить структуру мелко игольчатого мартенсита с вкрапленным избыточным цементитом. В сердцевине также обеспечивается мелкозернистая структура.

Цементация с последующей термической обработкой повышает предел выносливости изделий из-за образования в поверхностном слое значительных остаточных напряжений сжатия (400-500 МПа) и резко понижает чувствительность к концентраторам напряжений. Износостойкость и контактная прочность цементованных сталей высока и достигает 2000 МПа.

Цементация

ЦЕМЕНТАЦИЯ, один из видов термической обработки металлов — путем изменения химического состава поверхностного слоя изделий с целью увеличения их сопротивляемости изнашиванию. Такое общее определение охватывает не только обычные виды цементации, но также цианирование, нитрирование и пр. В результате цементации поверхностный слой изделий в большинстве случаев приобретает большую твердость, в то время как внутренние части их остаются мягкими и, следовательно, хорошо сопротивляющимися ударам. Цементация широко применяется в различных областях машиностроения (например, при изготовлении трансмиссий, шестерен, поршневых пальцев, отвалов плугов и пр.), в авто -тракторостроении и в инструментальном деле. Сущность цементации науглероживанием заключается в получении из цементационной смеси при высоких температурах окиси углерода и иногда соединений углерода с азотом, затем в образовании активных атомов углерода и наконец в диффузии последнего в решетку γ-железа.

При цементации изделия упаковываются в ящик с угольным порошком и добавками; последние обычно являются углекислыми солями натрия, бария, кальция , калия и пр. При нагреве в присутствии угля углекислые соли распадаются по следующей формуле:

Получившаяся окись углерода разлагается на углекислоту и углерод:

Образовавшиеся активные атомы углерода, находящиеся in statu nascendi, проникают в решетку γ-железа, которое, как известно, может растворять до 1,7% углерода. Науглероживание поверхности обычно происходит только до 1 % С или немного выше. При газовой или жидкой цементации активные атомы углерода могут получиться или из газа, или из жидкости непосредственно. Исследование микроструктуры цементированной, но еще не закаленной стали показывает, что в результате цементации мягкая сталь на поверхности становится очень богатой углеродом: структура ее у поверхности состоит из перлита и сетки цементита в надэвтектоидном слое.

Более детальное исследование самого края поверхности науглероженной, но еще не закаленной стали обнаруживает два весьма важных и характерных типа ее микроструктуры (вкл. л., 1 и 2).

Разница между ними заключается в форме выделений и в расположении избыточного цементита. В большинстве случаев цементит располагается в виде тонкой сетки вокруг крупных зерен перлита или в виде игл (вкл. л., 1). Эта структура после закалки обладает высокой и равномерной твердостью и обычно называется нормальной . Другой тип структуры — избыточный цементит — выделяется в виде массивной сетки вокруг более мелких зерен перлита и (что очень характерно для этого случая) часто окружен полями феррита (вкл. л., 2). Выделения цементита, входящего в состав перлита, здесь также крупные. Такая структура при закалке дает мягкие трооститные места, является неудовлетворительной и носит название абнормальной . В условиях заводского производства выработались практические признаки, по которым сталь испытывается на абнормальность; для этого сталь цементируют 10—13 час. при 900—930°С и измеряют размеры зерен в надэвтектоидном слое (при увеличении в 100 раз); тогда количество зерен на площади 5 см 2 будет: № 1 – до 1, № 2 — 1—2,5, № 3 — 2,5—5, № 4 — 5—10, № 5 — 10—20, № 6 — 20—40, № 7 — 40—80, № 8 — 80—160 и № 9 — выше 160 зерен. Чем меньше зерно, тем выше абнормальность стали (при обязательном условии окружения массивной сетки цементита ферритными полями).

Лучшим методом испытания на твердость цементированной поверхности является способ Виккерса и Роквелла, а равно монотрон Шора или (для лабораторных работ) маятник Герберта. Испытание по Бринеллю совсем не подходит, так как продавливается твердый слой. Большое практическое значение при испытании цементированных изделий имеет измерение толщины их твердого слоя, причем различают «общую толщину твердого слоя» (фиг. 1, ОВ) и «действительную» (фиг. 1, ОА; на ординате отложена твердость по Роквеллу, на абсциссе — расстояние от поверхности в мм). Наиболее ценной частью цементированного слоя является его «действительная толщина», где наблюдается наивысшая твердость. Измерение твердого слоя цементированных изделий производится различными способами.

Стали для цементации . Правильный выбор стали для цементации имеет очень большое значение. В настоящее время цементируют как углеродистые, так и сложные стали. В табл. 1 приведены типичные примеры углеродистых сталей и указаны ориентировочные температуры цементации, рекомендованные стандартами разных стран.

При выборе сложных сталей для цементации следует всегда иметь в виду следующее влияние на нее специальных элементов, которые м. б. разделены на две группы: элементы, образующие карбиды (Сг, Мn), и элементы, образующие с железом твердый раствор (Ni); молибден и ванадий занимают промежуточное значение, давая и карбиды, и твердый раствор. Элементы, образующие карбиды, увеличивают твердость и сопротивление износу твердой поверхности и часто упрочняют мягкую середину. Никель, молибден и ванадий увеличивают прочность и вязкость мягкой середины. Никель, понижая критические точки в цементированной стали, позволяет закалить поверхность последней при более низкой температуре. В табл. 2 приведены сложные стали SAE для цементации и указаны ориентировочные температуры для нее.

Типы цементации . В настоящее время применяются следующие четыре главных вида цементации: 1) науглероживание твердыми порошками, 2) науглероживание газами, 3) цианирование (жидкостями), при котором кроме углерода в сталь проникает и азот, и 4) нитрирование, т. е. насыщение поверхности стали азотом, причем при последнем способе окончательной закалки не требуется.

1. Цементация твердыми порошками . Такая цементация в подавляющем большинстве случаев производится порошком древесного угля твердых пород (березовым или дубовым) с примесью 15—20% углекислой соли (Na₂CО₃, K₂CО₃, ВаСО₃ и т. д.). Для цементации изделия укладывают в ящики, засыпают этой смесью, плотно закрывают и ставят в печь. В Америке для цементации применяют нихромовые или калоризированные ящики, стойкие к высоким температурам. Несмотря на высокую стоимость в сравнении с чугунными или стальными ящиками они оказываются благодаря долгой службе более выгодными. Для цементации температуру в печи доводят до 1000—1200°С, в ящиках же температура ниже. Процесс во многих случаях длится около 8 ч. На фиг. 2 изображены кривые повышения температуры в печи и ящиках при цементации отвалов для плугов (кривая а — температура в ящике, кривая б — температура в печи; на абсциссе отложено время от начала наблюдения).

В результате такого режима на поверхности отвалов образуется перлит с сеткой цементита, и толщина твердого, принимающего закалку слоя — 1—1,5 мм, середина же остается мягкой. После охлаждения с ящиками отвалы вынимают, снова нагревают и закаливают. В результате на поверхности их образуется мартенсит (вкл. л., 3); сетка цементита должна полностью раствориться, иначе поверхностный слой будет хрупким (вкл. л., 4). Частым дефектом цементированных изделий являются мягкие места на их поверхности после закалки благодаря образованию троостита; на вкл. л., 5 изображает такую дефектную структуру — троостит в мартенсите. Мягкие места в цементированных изделиях могут также быть объяснены недостаточным науглероживанием поверхности. На вкл. листе, 6 изображена микроструктура закаленной поверхности такой недоцементованной стали — тонкий слой мартенсита и феррита. В общем цементация твердыми порошками является в условиях СССР очень практичной, распространенной и недорогой операцией.

В Америке для создания однородности качества при цементации применяют конвейерные печи, в которых каждый ящик, входя с одной стороны холодным и очень медленно двигаясь там, постепенно нагревается до 900°С и выходит с другой. При цементации в обычной печи крайние ящики нагреваются быстрее, а средние медленнее, при конвейерной же — все ящики находятся в одинаковых условиях, что весьма ценно. В табл. 3 приведены важнейшие ошибки цементации, указаны их причины и даны способы к их устранению.

2. Цементация газом . При цементации газом изделия помещаются в длинный металлический цилиндр, обычно из нихрома или калоризированного металла, стойкого при высоких температурах. Цилиндр помещается в специальную печь и нагревается в ней при медленном вращении. Через цилиндр пропускается струя очищенного светильного газа. Общий вид такой установки для газовой цементации приведен на фиг. 3.

Для условий СССР в большинстве случаев выгоднее употреблять газ, полученный из нефти. Американский металлограф Гутри исследовал применение газа для цементации и дает следующие примеры «хорошего» и «плохого» газа для цементации (табл. 4).

В случае «хорошего» газа науглероженный слой в 1,5 мм толщиной получился в течение 10 ч. при давлении в 1 atm и температуре 870°С, тогда как при «плохом» газе в подобных же условиях для этого потребовалось 20 ч. Газовая цементация при правильной ее постановке позволяет избежать многочисленных цементационных ящиков, массы грязной цементационной смеси, требующей тяжелой и неприятной работы, а также экономит топливо для подогрева ящиков.

3. Цианирование . За последнее время цианирование получило очень широкое распространение. При жидкой цементации сталь, предварительно достаточно подогретая, погружается в ванну из расплавленных цианистых солей. Прежде применялись простые цианистые соли Na(CN), которые обычно прибавлялись в количестве 30% в ванну из Na₂CO₃ и NaCl, смешанных поровну. Содержание Na(CN) должно поддерживаться во время цементации не ниже 20—25%. Обычная цианистая ванна не выдерживает нагревания до температуры 850°С и поэтому дает хотя и очень твердый, но слишком тонкий слой (0,2—0,4 мм). Поэтому цементация обычным цианистым натрием применима лишь там, где детали после нее не шлифуются и где износ поверхности не слишком велик. За последнее время появилось много цианистых солей, не разлагающихся при температуре 900—950°С, например, дурферрит и др. Все они позволяют быстро получать достаточно толстый твердый слой; благодаря этому жидкая цементация начала применяться всюду. Вследствие большой ядовитости паров цианистых солей с последними надо обращаться очень осторожно; их нельзя добавлять в расплавленную жидкую ванну во избежание взрыва; попадание в них азотистых соединений, например, селитры, также вызывает сильную реакцию.

Термообработка после науглероживания . Длительное пребывание стали при высокой температуре во время науглероживания вырывает у нее рост зерна. Особенно крупнозернистой становится науглероженная поверхность, потому что температура цементации (900°С) значительно превышает ее критическую температуру (725°С). Для уничтожения крупнозернистости применяется сложная термическая обработка. Когда требуется мелкозернистая, очень прочная и вязкая сердцевина, изделия после науглероживания охлаждают вместе с ящиками или закаливают в воде. После этого их снова нагревают в печи до температуры немного выше критической, т. е. 870°С, и закаливают. Для того чтобы получить мелкозернистую структуру на поверхности, изделия подвергают новому нагреву в печи до температуры

775°С; эта температура на величину зерна в сердцевине влияния не оказывает. Твердая науглероженная поверхность переходит в состояние аустенита и получает мелкое зерно; последующая закалка дает на поверхности твердую структуру мелкозернистого мартенсита. После закалки твердую закаленную поверхность можно подвергнуть отпуску и еще более понизить ее хрупкость. Температура отпуска определяется твердостью, которую желательно получить.

4. Нитрирование . При нитрировании сталь нагревается в потоке аммиака при температуре 510—525°С в течение 10—90 ч. Аммиак распадается на водород и азот; активные атомы последнего проникают в железо и дают с ним различные соединения, отличающиеся большой твердостью. Впервые нитрирование в токе аммиака было применено в промышленном масштабе Адольфом Фраем на заводах фирмы Круппа в 1922 г. Исследование структуры нитрированной поверхности сталей с помощью микроскопических, термических, рентгенографических, и химических методов обнаруживает у них следующие структурные компоненты: нитриды Fe₂N (нитрид I по Фраю), Fe₄N (нитрид II по Фраю), Fe₆N и эвтектику-браунит (название дано в честь одного на первых исследователей нитридов железа — Брауна). Нитриды образуют твердую хрупкую корку; на внешней поверхности они светлого цвета и плохо окрашиваются при травлении (вкл. л., 7). Браунит является эвтектикой нитрида Fe₄N и железа, он содержит 1,5% азота. Вид его напоминает перлит (вкл. л., 8). Из всех указанных выше компонентов он является практически самым ценным, т. к. обладает наибольшей твердостью и наименьшей хрупкостью. Браунит располагается под слоем нитрида Fe₄N (если слой нитридов присутствует). В сравнении с обычной цементацией науглероживанием нитрирование имеет много преимуществ: температура нитрирования гораздо ниже температуры обычной цементации, отсутствует закалка, — следовательно можно полностью избежать коробления, трещин изделий. Сергерсон (Sergerson) произвел параллельное испытание нитрированной и цементированной обычным способом сталей. Хромованадиевая S. А. Е. 6115 цементовалась в течение 8 часов при температуре 920°С, затем подвергалась двойной закалке в воде и отпуску при 150°С. Одновременно была взята хромо-алюмино-молибденовая сталь и подвергнута нитрированию в течение 90 часов при температуре 525°С. Твердая поверхность обеих сталей испытывалась на приборе Виккерса, причем твердый слой постепенно сошлифовывался наждачным кругом, и твердость определялась на разном расстоянии от поверхности. Результаты испытания изображены на диаграмме фиг. 4 (где на абсциссе отложена глубина цементации в мм, а на ординате — твердость по Виккерсу—Бринеллю).

Практические испытания показали, что более твердый нитрированный слой сопротивляется истиранию в 5—7 раз лучше, нежели цементированный. При этом нитрированные изделия практически не изменяют своих размеров и формы, почему в противоположность цементированным они не требуют окончательной шлифовки. Твердость нитрированного слоя не изменяется при нагревах до температуры 500°С, тогда как цементированные изделия при отпуске теряют значительную часть своей твердости. Кроме того, нитрированные изделия подобно нержавеющей стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии на воздухе и в пресной и соленой воде. Препятствиями к широкому распространению нитрирования являются продолжительность процесса — от 10 до 90 ч. — и необходимость работать с дорогими сложными сталями — углеродистые стали непригодны для нитрирования, поверхность у них получается недостаточно твердой и очень хрупкой. Перед нитрированием сталь д. б. подвергнута закалке и отпуску при 540°С для получения тонкой сорбитной структуры.

В настоящее время в Америке наблюдается широкий интерес со стороны заводов к процессу нитрирования. Почти все фирмы, строящие печи, начали выпускать и оборудование для нитрирования. Например, фирма Leeds & Northrup Со. выпустила печь для нитрирования (по типу известной печи для отпуска — «Homo») с принудительной сильной циркуляцией аммиака и герметичными затворами камеры для нитрирования. Появились печи для непрерывного нитрирования, где изделия движутся внутри печи по конвейеру. Эти печи, например, типа Surface Combustion Со., работая дуплекс-процессом, сокращают время нитрирования до 16 ч. и позволяют экономить на аммиаке. В обыкновенных печах диссоциация аммиака не д. б. выше 30—40%, иначе получаются плохие результаты, тогда как конвейерные печи позволяют доводить эту диссоциацию до 90%.

Цементация стали: температура и выдержка

На процесс цементации оказывают влияние температура цементации и время выдержки при этой температуре. С повышением температуры цементации и увеличением времени выдержки увеличивается глубина цементованного слоя.

Длительность выдержки при цементации зависит от того, какой глубины слой требуется получить. Обычно цементация деталей проводится с получением слоя глубиной 0,5—2 мм.

Очень часто, в зависимости от условий работы, цементовать нужно не всю поверхность детали, а только ее определенные участки. В таких случаях те участки детали, которые не должны подвергаться цементации, защищают от проникновения углерода покрытием их тонким слоем меди (гальваническим способом), что дает наилучшую защиту от цементации, или покрывают их специальными обмазками.

Как было указано выше, для контроля Цементации в ящик помещают «свидетели». v Контроль цементации производится следующим образом. Перед окончанием цементации «свидетеля» вынимают из ящика, закаливают в воде, ломают, и по излому определяют глубину цементованного слоя. Более резко слой цементации выявляется по макроструктуре. Глубина цементованного слоя и распределение углерода по глубине слоя точно определяется по микроструктуре.

Цементованный слой имеет три зоны: заэвтектоидную (у поверхности) со структурой перлит + цементит, с содержанием углерода 1,1—0,8%, эвтек-тоидную, имеющую структуру перлита (0,8% С), и переходную (доэвтектоидную) со структурой феррит + перлит. Чем ближе к сердцевине, тем меньше в переходной зоне перлита и больше феррита. За глубину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтек-тоидной, эвтектоидной и половину переходной зоны.

После окончания цементации ящики вынимают из печи, охлаждают на воздухе, а затем распаковывают и вынимают детали.
Цементованные детали в дальнейшем обязательно подвергаются термической обработке — закалке и отпуску.-Термическая обработка (закалка) необходима по двум причинам: во-первых, для получения высокой твердости поверхности, и, во-вторых, для устранения перегрева стали, так как в результате длительной выдержки при высокой температуре происходит рост зерна стали.

Для устранения перегрева и получения нормальной структуры, а также для придания высокой твердости цементованному слою, детали после цементации подвергают термической обработке по следующему режиму:

• закалка или нормализация от 900—920° С (для улучшения строения низкоуглеродистой сердцевины);
• закалка от 770—790° С (нормальная закалка для высокоуглеродистого поверхностного слоя);
• отпуск при 150—170° С.

Цементованные детали, изготовленные из углеродистых сталей, охлаждаются при закалке в воде, а изготовленные из легированных сталей охлаждаются в масле.
В результате термической обработки в поверхностном слое образуется структура мартенсита с карбидами с твердостью HRC = 60—64. Структура сердцевины углеродистых сталей феррит и перлит, а легированных — сорбит или тростит.

Цементация стали

Цементацией (науглероживанием) называется химикотермическая обработка, заключающаяся в диффузиднном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде — карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки — придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1 — 0,18 % С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевйна изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50-100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20 — 40 мкм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящим из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.

Рис. 148. Схема распределения углерода (а) и твердости после закалки и низкого отпуска (б) по толщине цементованного слоя: х0 — эффективная толщина слоя; xQ — общая толщина слоя

Механизм образования и строение цементованного слоя

Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (СО; СН4 и др.). Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

При температуре цементации (выше точки Ас3) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения — из продуктов его распада — феррита и цементита. При этом концентрация углерода не достигает предела насыщения при данной температуре.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 148, а). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 149,- а): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита (1), образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную (2), состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону (3), состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

За эффективную толщину цементованного слоя часто принимают сумму заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (до содержания 0,45 % С), что соответствует 50 HRC (см. рис. 148, б). Для многих изделий эффективная толщина слоя принимается после закалки до HV500 или HV700 для ответственных деталей.

Опыт показывает, что эффективная толщина цементованного слоя для деталей, изготовляемых из стали с содержанием

Рис. 149. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения (а) и закалки (б), Х200: 1 — заэвтектоидная зона (перлит + цементит в виде тонкой сетки); 2 — эвтектоидная (перлит); 3 — доэвтектоидная зона (перлит — черные, феррит — белые участки); xэ — эффективная толщина слоя (50 HRC)

<0,17 % С, составляет 15 % наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. При содержании в стали >0,17 % С толщину слоя уменьшают до 5-9 %, а для деталей, работающих на износ, не испытывающих больших удельных нагрузок, — до 3-4 % от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8-1,0 %. Для получения высокой контактной усталости содержание углерода может быть повышено до 1,1-1,2 %. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия.

В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. На толщину слоя легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, практически не влияют.