Тем, кому лень погуглить, посвящается:
Под
цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Так как углерод в α-фазе практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется в интервале температур 930–950°С — т. е. выше α → γ-превращения. Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия. Обычно применяется закалка с температуры цементации непосредственно после завершения процесса химико-термической обработки или после подстуживания до 800–850°С и повторного нагрева выше точки Ас
3 центральной (нецементованной) части изделия. После закалки следует отпуск при температурах 160–180°С.
Цементация как процесс химико-термической обработки, в основном, применяется для низкоуглеродистых сталей типа Ст2, СтЗ, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др., однако в ряде случаев может быть использована при обработке шарикоподшипников — стали ШХ15, 7Х3 и коррозионностойких сталей типа 10Х13, 20Х13 и т. д. Стали, рекомендуемые для цементации, должны обладать хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементованного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердостей, который составляет 30–43 HRC. Учитывая длительность процесса цементации и высокую температуру процесса, рекомендуется при этом виде химико-термической обработки использовать наследственно мелкозернистые стали, размер зерна которых не должен превышать 6–8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств.
Цементация производится в углероднасыщенных твердых, жидких или газообразных средах, называемых карбюризаторами, основные составы которых приведены в
табл. 1, а в
табл. 2 и
табл. 3 даны рекомендации по режимам термической обработки цементованных изделий.
При твердофазной цементации процесс ведут следующим образом. Цементуемые детали упаковываются в цементационные ящики таким образом, чтобы их объем, в зависимости от сложности конструкции детали, занимал от 15 до 30 % объема цементационного ящика. Ящики загружают в печь, нагретую до температур от 600–700°С и нагревают до температуры цементации — 930–950°С. По окончании процесса цементации ящики вынимаются из печи — охлаждение деталей ведется внутри цементационных ящиков на воздухе. К числу недостатков цементации в твердых карбюризаторах относятся: невозможность регулирования степени насыщения и невозможность проведения закалки непосредственно после цементации, дополнительный непродуктивный расход энергии на прогрев цементационных ящиков и т. п. Однако простота метода, возможность проводить процесс на стандартном печном оборудовании без установки дополнительных устройств делают этот метод весьма распространенным в условиях мелкосерийного производства в ремонтных цехах и на участках крупных предприятий. Цементация в жидкофазном карбюризаторе применяется для мелких деталей. К недостаткам этого процесса относятся неравномерность глубины цементованного слоя и необходимость частых регенераций углероднасыщенного расплава. В случае серийного и крупносерийного производства цементованных изделий наибольшее распространение получила цементация в газообразных карбюризаторах. Этот метод обеспечивает наибольшую равномерность по толщине и свойствам цементованного слоя, снижает время, затрачиваемое на процесс химико-термической обработки, а в ряде случаев позволяет производить закалку изделий непосредственно после цементации. В последнее время получил распространение процесс вакуумной цементации. Печи для вакуумной цементации состоят из нагревательной камеры, снабженной вентилятором для обеспечения интенсивной циркуляции воздуха, закалочного бака и транспортных устройств. Подготовленные для вакуумной цементации детали помещают в нагревательную печь, вакуумируют и нагревают до 1000–1100°С, затем в печь подается газообразный карбюризатор — очищенный природный газ, пропан или бутан. Этот метод позволяет ускорить процесс цементации, повысить качество получаемого слоя.
Качество процесса цементации оценивается по эффективной толщине цементованного слоя, которая определяется по одному из двух показателей — твердости или структуре слоя. Структура поверхностного слоя цементованной стали состоит из нескольких зон: поверхностной — заэвтектоидной (перлит + цементит), эвтектоидной — перлитной и доэвтектоидной — перлито-ферритной. Эффективную толщину цементованного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличениях от 100 до 500 раз. Границей цементованной зоны считается структура состоящая из 50% перлита и 50% феррита, что соответствует концентрации углерода равной 0,4 масс.%.
В случае, когда за критерий оценки толщины цементованного слоя принимается твердость или микротвердость после цементации, то оценка ведется на термически обработанных образцах, а за конец цементованного слоя принимается зона с твердостью 50 HRC или 540–600 НV (
табл. 4).
Существует еще один приблизительный метод оценки глубины цементованного слоя. Метод оценки изломов проб в закаленном состоянии, а также данные о влияние температуры и продолжительности цементации на глубину слоя по излому закаленных проб приведены в
табл. 5. Такой метод является одним из старейших при оценке глубины цементованного слоя, используется при твердофазной цементации и состоит в следующем. В середине передней стенки цементационного ящика вставляются пробные прутки, которые время от времени извлекают и закаливают; по излому судят о глубине цементованного слоя.
Таблица 1
Составы углерод насыщенных сред (карбюризаторов), применяемых
в процессе цементации сталей, и режимы химико-термической обработки изделий
| Состав карбюризатора | Т, °С | τ, ч | Глубина слоя, мм |
| Твердые карбюризаторы | | | |
| Древесный-березовый уголь в смеси с 20–25 % ВаСО3 и 3,5–5 % СаСО3 | 930–950 | 4–15 | 0,5–1,5 |
| Каменноугольный полукокс в смеси с 10–15 % ВаСО3 и 3,5–5 % СаСО3 | 930–950 | 4–15 | 0,5–1,5 |
| Жидкие карбюризаторы | | | |
| 78–85 % NаСО3 или K2СО3 + 10–15 % NаСl + 6–8 % SiС | 870–900 | 0,5 | 0,15–0,2 |
| Газообразные карбюризаторы | | | |
| Эндотермическая среда (20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2) + до 5 % природного газа (СН4) | 930–950 | 6–10 | 0,7–1,5 |
| Экзо-эндогаз (20 % СО, 20 % Н2, 60 % N2) + 0,5–5 % СН4 | 930–950 | 6–10 | 0,7–1,5 |
| Газы, получаемые из керосина, различных спиртов и других | | | |
| углеводородов, непосредственно в печи для цементации | 930–950 | 4–10 | 0,8–1,5 |
Таблица 2
Режимы термической обработки цементованных изделий
| Режим термической обработки | Общая характеристика термической обаботки |
Непосредственная закалка в масле (расплавленные соли) при температуре 160–180°С из цементационной печи с подстуживанием до 800–850°С (до температуры выше точки Ас3 сердцевины стали)
| Не измельчает зерна стали. Подстуживание уменьшает коробление деталей и повышает твердость слоя вследствие снижения количества остаточного аустенита. Рекомендуется для низколегированных наследственно мелкозернистых сталей. Широко применяется после газовой цементации |
| Быстрое или медленной охлаждение после цементации, закалка — с 750–780°С или температуры выше точки Ас3 сердцевины стали | При быстром охлаждении не образуется карбидная сетка. Повышается опасность коробления деталей. Для полной закалки сердцевины нагрев проводят выше Ас3. Для уменьшения коробления рекомендуется использовать ступенчатую закалку. Применяется после цементации в среде твердого карбюризатора и газовой цементации |
| Цементация с замедленным охлаждением, высокий отпуск при 600–640°С, 3–10 ч, закалка — с температуры 780–800°С — сталь 20Х2Н4А и 800–820°С — сталь 18Х2Н4ВА | Высокий отпуск вызывает распад остаточного аустенита и образование легированных карбидов. При нагреве стали под закалку карбиды частично растворяются в аустените. После закалки количество остаточного аустенита резко понижается, а твердость возрастает. Применяется после цементации высоколегированных сталей в том случае, когда в цементированном слое велико количество остаточного аустенита |
| Охлаждение после цементации на воздухе (или вместе с ящиком), двойная закалка или нормализация и закалка | Первая закалка с 880–900°С устраняет карбидную сетку и измельчает зерно сердцевины. Вторая закалка с 760–830°С измельчает зерно цементированного слоя и придает ему высокую твердость. Применяется для обработки ответственных деталей после цементации в твердом карбюризаторе для получения высоких механических свойств. Из–за двойного нагрева резко возрастает опасность коробления деталей |
Таблица 3
Общие принципы выбора температуры (°С) термической обработки цементованных сталей
| Группа сталей | Режим цементации | Закалка сердцевины | Смягчающий отжиг | Закалка цементированного слоя | Отпуск |
| Углеродистые | 850–880 | 890–920 | 650–680 | 770–800 | 150–175 |
| Углеродистые | 900–930 | 890–920 | 650–680 | 770–800 | 150–175 |
| Хромистые | 870–900 | 850–880 | 650–680 | 770–800 | 150–175 |
| Хромистые | 900–930 | 850–880 | 650–680 | 770–800 | 150–175 |
| Хромомарганцовистые | 900–930 | 840–870 | 650–680 | 810–840 | 175–200 |
| Хромоникелевые | 900–930 | 840–870 | 630–650 | 800–830 | 175–200 |
Таблица 4
Рекомендуемые значения контрольной и поверхностной твердости при установлении
эффективной толщины слоя
| Химический состав стали (масс.%) | Рекомендуемая поверхностная твердость | Контрольная твердость |
| Хромомарганцевая сталь 20ХГ(0,2 С; 1,2 Мn; 1,2 Сr) | HRC 58–62 = HV 670–750 | HV 540 |
| Хромомолибденовая (0,2 С; 0,3 Cr; 0,5 Мо) | HRC 56–60 = HV 540 |
| -=- с добавкой бора (0,2 С; 0,3 Cr; 0,5 Мо; 0,0005 В) | HRC 56–60 = HV 630–710 | HV 600 |
| Хромоникелевая (0,2 С; 2 Cr; 2 Ni) | HRC 58–62 | HV 600 |
Таблица 5
Глубина слоев при различных условиях проведения цементации в мм
Продолжительность цементации, ч после достижения
температуры ХТО
| Продолжительность цементации, ч | Глубина слоя (мм) | |
|
| после достижения температуры ХТО | углеродистая
850°С | легированная
850°С | углеродистая
900°С | легированная
900°С |
| 1 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,8 |
| 5 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,3 |
| 10 | 1,2 | 1,5 | 1,5 | 1,8 |
| 30 | 1,5 | 1,8 | 2,5 | 2,8 |
| 60 | 2,5 | 3,2 | 4,5 | 5,2 |
Примечание: Метод оценки по излому закаленных проб.
