Цементация стали. Строение цементованного слоя. Термическая обработка стали после цементации.

Химико - термическая обработка - технологическая операция, состоящая в том, что деталь помещают в среду богатую элементом, который диффундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частый случай) при химико - термической обработке происходят три элементарных процесса: диссоциация, абсорбция и диффузия. Диффузия происходит движением насыщающего элемента по вакансиям и иным дефектам кристаллов. При цементации происходит поверхностное насыщение стали углеродом, в результате чего получается высокоуглеродистый поверхностный слой. Так как для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остается мягкой и вязкой, несмотря на то, что после цементации сталь подвергается закалке. При твердой цементации детали запаковывают в ящик, наполненый карбюризатором - науглероживающим веществом. При газовой цементации герметически закрытая камера печи с размещаемыми в ней деталями наполнена цементирующим газом, или газ проходит через нее. Карбюризаторами является высокосортный древесный уголь, газом - СО.

Цементацию проводят значительно выше точки Ас1 (так как а-железо не растворяет углерод), при 900 -930 С, или даже при 950 - 970 С и выше. Чем выше температура - тем больше содержание углерода в поверхностном слое, однако оно не превышает 1.2 %. Время цементации составляет десятки часов, а толщина диффузионного слоя обычно не превышает 2 мм. Цементация в основном применяется в массовом производстве деталей машин. Ее проводят в толкательных электропечах непрерывного действия. Структура поверхностного слоя состоит из нескольких зон. Поверхностная зона, в которой углерода содержание углерода больше 0.8 -0.9 %, имеет структуру перлит + цементит; это так называемая заэвтектоидная зона; затем следует зона с содержанием углерода около 0.8 % - это эвтектоидная зона и, наконец, доэвтектоидная зона, содержащая углерода менее 0.7 %, плавно переходящая в структуру сердцевины. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Рис. 49.

Цементация Закалка

Цементация

подстуживани

^Цементация Закалка

Отпуск

Отпуск

Закалка

\

Отпуск

Обработка холодом

Рис. 49. Режимы термической обработки цементированных деталей.

Обычно закалку проводят с цементационного нагрева. Если требуются повышенные механические свойства, охлаждение производят медленное и затем дается закалка с повторного нагрева или даже двойная закалка. В последнем случае требуется шлифовка “под размер” детали из-за изменения геометрии деталей, вызванной многочисленными фазовыми превращениями при нагревах. В сердцевине цементированной детали из легированной глубокопрокаливающейся стали образуется мартенсит, который из-за низкого содержания С не обладает хрупкостью.

Азотирование. Нитроцементация стали.

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом. По сравнению с цементацией, азотированный слой сам без какой-либо ТО приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, что не требует шлифовки. Азотирование -окончательная операция для деталей, прошедших ТО и шлифовку. Азотирование проводят при 500 - 600 С в среде диссоциированного аммиака:

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл. С железом стали и ее легирующими элементами азот образует нитриды, резко повышающие твердость поверхности. В ходе процесса происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев. Рис. 50.

£ = Fe₂N

У'= Fe₄N

г у' у" + а а

Рис. 50. Строение азотированного слоя железа после медленного охлаждения от 650С.

Распределение азота имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных

двухфазных слоев.

Азотирование применяют для повышения твердости, износоустойчивости, усталостной

прочности, сопротивления коррозии. Для массового производства автодеталей, подвергаемых

цементации, разработаны специальные марки стали, легированные алюминием: 38ХМЮА,

38ХЮА А - для азотирования.

Нитроцементация - одновременное насыщение поверхности стали азотом и углеродом в

газообразной среде. Если процесс осуществляют в расплавах солей, содержащих цианистую

группу - CN, тогда его называют цианированием. Нитроцементация позволяет несколько

повысить и коррозионную стойкость, создать наибольшую твердость поверхности и

совместить операцию с последующей закалкой.