Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Цементация стали — метод химико-термической обработки, при котором поверхностный слой детали насыщается углеродом при температурах 900–950°C. Сердцевина при этом сохраняет вязкость, а поверхность приобретает высокую твёрдость после последующей закалки. Именно этот метод лежит в основе производства шестерён, валов и других нагруженных деталей машин.
Цементация стали — управляемый диффузионный процесс насыщения поверхностного слоя углеродом. Технология позволяет получить на одной детали два принципиально разных материала: твёрдую износостойкую поверхность с содержанием углерода 0,8–1,2% и пластичную, ударостойкую сердцевину с исходным содержанием углерода 0,1–0,25%.
Без цементации достичь такого сочетания свойств за одну операцию термообработки невозможно. Высокоуглеродистая сталь, обеспечивающая поверхностную твёрдость, будет хрупкой по всему сечению. Именно поэтому цементация является обязательным этапом в производстве зубчатых колёс, кулачков, пальцев цепей, игольчатых подшипников и других деталей, работающих на износ при динамических нагрузках.
Ключевой принцип: цементация изменяет только химический состав поверхностного слоя. Финальные механические свойства — твёрдость, износостойкость — формируются на последующем этапе закалки и низкотемпературного отпуска.
В основе процесса лежит диффузия атомарного углерода из насыщающей среды (карбюризатора) вглубь металла. При температуре 900–950°C сталь находится в аустенитном состоянии. В этом температурном диапазоне растворимость углерода в аустените составляет около 1,1–1,3% по диаграмме Fe–C (линия SE), что обеспечивает активное поглощение углерода поверхностью без образования карбидной сетки.
Движущая сила процесса — градиент концентрации углерода: на поверхности его больше, в сердцевине — меньше. Скорость диффузии описывается законами Фика и зависит от температуры, времени выдержки и активности карбюризатора. Процесс подчиняется параболическому закону: глубина слоя пропорциональна корню квадратному из времени выдержки, а не времени напрямую.
Концентрация углерода убывает от поверхности к сердцевине по диффузионному градиенту. Стандартный профиль: 0,8–1,2% на поверхности, плавное снижение до исходных 0,1–0,25% на границе с сердцевиной. Эффективную глубину цементованного слоя определяют до точки, где содержание углерода составляет 0,4%, либо до значения твёрдости HV 550 — оба критерия применяются при контроле качества.
Наиболее распространённый метод в промышленности. Детали помещают в герметичную печь и подают углеродсодержащий газ — эндогаз с добавкой природного газа или пропан-бутана. Углеродный потенциал атмосферы поддерживается автоматически на уровне 0,8–1,1%. Процесс хорошо поддаётся автоматизации и воспроизводим от цикла к циклу.
Ввиду параболической кинетики диффузии скорость насыщения убывает по мере роста слоя. По данным, приведённым в учебнике Лахтина Ю.М. «Металловедение и термическая обработка металлов», при газовой цементации при 920°C науглероженный слой толщиной 1,0–1,3 мм получают примерно за 15 часов. Повышение температуры до 1000°C сокращает это время до 8 часов, однако требует применения наследственно мелкозернистых сталей для предотвращения укрупнения зерна аустенита.
Исторически первый метод, применяемый до сих пор в мелкосерийном производстве и при ремонте. Детали укладывают в металлический ящик, засыпают карбюризатором — смесью древесного угля (70–80%) и активаторов: карбоната бария BaCO3 (10–20%) или карбоната натрия Na2CO3. Ящик герметизируют огнеупорной глиной и помещают в печь.
Недостатки метода: длительный прогрев садки, сложность контроля углеродного потенциала, более высокий разброс глубины слоя. Производительность насыщения при твёрдой цементации в 2,5–3 раза ниже, чем при газовой, что обусловливает значительно большую продолжительность процесса при той же целевой глубине слоя.
Процесс ведётся при давлении 4–15 мбар и температурах 900–1050°C. В качестве карбюризатора применяется ацетилен марки «Б» по ГОСТ 5457-75, реже — пропан или этилен. Импульсная подача ацетилена чередуется с диффузионными паузами, что позволяет точно управлять профилем концентрации углерода. Отсутствие окислительной атмосферы исключает межзерновое окисление и обезуглероживание поверхности.
Вакуумная цементация применяется для высоконагруженных деталей авиационных и автомобильных трансмиссий, где требуется воспроизводимый слой с минимальным рассеянием параметров. При проведении цементации при 940–960°C ориентировочная скорость насыщения составляет около 0,2 мм/ч диффузионного слоя.
Для цементации применяют низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,10–0,25%. При более высоком содержании углерода сердцевина после закалки теряет вязкость, что нивелирует преимущество технологии.
Легирующие элементы — хром, марганец, никель, молибден — не влияют на скорость диффузии углерода при цементации, но определяют прокаливаемость стали при последующей закалке. Именно прокаливаемость задаёт твёрдость сердцевины готовой детали. Прокаливаемость оценивают по методу торцевой закалки по Джомини (ГОСТ 5657-69, ISO 642:1999).
Рабочий диапазон газовой цементации — 900–950°C. Нижняя граница обусловлена необходимостью перевода стали в однофазное аустенитное состояние — выше критической точки Ac3. Верхняя граница ограничена ростом зерна аустенита: при температурах выше 950–960°C зерно укрупняется, что снижает ударную вязкость сердцевины после закалки для обычных сталей.
Вакуумная цементация допускает повышение температуры до 1000–1050°C при использовании наследственно мелкозернистых сталей типа 18ХГТ, содержащих карбиды титана, сдерживающие рост зерна. Это существенно сокращает продолжительность процесса. При газовой цементации применение температуры 1000°C сокращает цикл примерно вдвое по сравнению с 920°C.
Нормируемый параметр — эффективная глубина слоя: до границы с твёрдостью HV 550 или до концентрации углерода 0,4%. Типовые значения для различных деталей:
Цементация без последующей закалки не даёт конечного результата — высокая поверхностная твёрдость не формируется. После насыщения углеродом деталь подвергают закалке с температур 820–860°C (прямая закалка из цементационного нагрева после подстуживания, либо закалка с повторного нагрева). Охлаждающие среды — масло, полимерные закалочные жидкости. Закалку в воде для цементованных деталей не применяют во избежание трещинообразования.
После закалки обязателен низкотемпературный отпуск при 150–180°C в течение 1–2 часов. Он снимает закалочные напряжения и стабилизирует мартенсит без существенного снижения твёрдости. Итоговая твёрдость поверхности после полного цикла обработки — HRC 58–64.
Качество цементации контролируют по нескольким параметрам. Глубину слоя определяют металлографически на поперечных шлифах по ГОСТ 8233-56, либо методом распределения твёрдости по сечению: для шкалы Роквелла — ГОСТ 9013-59, для шкалы Виккерса — ГОСТ 2999-75. Контроль по распределению твёрдости является наиболее объективным методом оценки эффективного слоя.
Глубину обезуглероженного слоя определяют по ГОСТ 1763-68. Наличие обезуглероженного слоя на поверхности после цементации является браковочным признаком, поскольку ведёт к резкому снижению контактной выносливости детали. Дополнительно проводят визуальный контроль микроструктуры: оценивают наличие цементитной сетки, остаточного аустенита и немартенситных структур в поверхностном слое.
Ограничения метода: значительная длительность процесса (для слоя 1,0 мм при газовой цементации при 920°C — около 15 часов), необходимость финишной шлифовки после термообработки, ограничение по классу применяемых сталей. Детали из среднеуглеродистых сталей (свыше 0,25–0,30% C) для цементации не подходят: сердцевина после закалки теряет необходимую вязкость.
Цементация стали — технология, позволяющая получить уникальное сочетание свойств: твёрдую износостойкую поверхность с HRC 58–64 и ударопрочную вязкую сердцевину в одной детали. Выбор метода — газового, твёрдого или вакуумного — определяется объёмом производства, требованиями к точности профиля слоя и классом сталей по ГОСТ 4543-2016 и ГОСТ 1050-2013. Соблюдение температурного режима 900–950°C, учёт параболической кинетики насыщения, правильный подбор марки стали (20Х, 18ХГТ, 12ХН3А), а также обязательная закалка с последующим отпуском при 150–180°C гарантируют получение деталей с заданными эксплуатационными характеристиками и глубиной слоя 0,5–2,0 мм.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.