Цементація

Цементація – насичення поверхні низьковуглецевої сталі вуглецем. Після гартування на поверхні утворюється твердий мартенситний шар, а в середині – в’язка незагартована серцевина (сорбіт або С + М).

Цементація як процес хіміко-термічної обробки, в основному, застосовується для низьковуглецевих сталей типу Ст2, Ст3, 08, 10, 15, 20, 15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 15ХГНТА, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА й ін., однак у ряді випадків може бути використана при обробці підшипникових — сталей ШХ15, 7Х3 і корозійностійкий сталей типу 10Х13, 20Х13 і т.д. Сталі, що рекомендуються для цементації, повинні володіти гарною прогартованістю і гартованістю цементованого шару, які повинні забезпечити необхідний рівень міцності, зносостійкості і твердості. Прогартованість серцевини повинна регулюватися в досить вузькому діапазоні твердостей, що складає HRC 30…43. З огляду на тривалість процесу цементації і високу температуру процесу, рекомендується при цьому виді хіміко-термічної обробки використовувати спадково дрібнозернисті сталі, розмір зерна яких не повинний перевищувати 6–8 балів. У противному випадку в ході цементації відзначається значний ріст зерна серцевини виробу, що призводить до зниження його експлуатаційних властивостей.

Цементація проводиться в вуглеценасичуючих твердих, рідких або газоподібних середовищах, які називаються карбюризаторами, основні склади яких приведені в таблиці 3.2.

При цементації в твердому карбюризаторі атомарний вуглець виділяється на поверхні виробу за наступними реакціями

2С+О₂→2СО, (3.4)

2СО→СО₂+С, (3.5)

ВаСО₃+С→ВаО+2СО. (3.6)

При газовій цементації

СН₄→2Н₂+С. (3.7)

В зв’язку з високою розчинністю вуглецю в аустеніті цементація проводиться при 930…950 ⁰С.

Шар товщиною 1 мм при твердій цементації отримують приблизно за 10 год (2 мм за 25…30 год), при газовій 1 мм – 8 год, 2 мм – 20 год. Підвищення температури і пришвидшення процесу обмежується ростом зерна і погіршенням структури шару – одержанням крихкого, багатого цементитом шару.

Схема будови нормального цементованого шару представлена на рисунку 3.5.

Рисунок 3.5 – Схема будови цеменованого шару

Таблиця 3.2 - Склади вуглеценасичуючих середовищ (карбюризаторів), які застосовуються у процесі цементації сталей, і режими хіміко-термічної обробки виробів

Склад карбюризатора	Режим цементації	Глибина шару, мм
Т, °С	t, год
Тверді карбюризатори
Деревне-березове вугілля в суміші з 20–25 % ВаСО3 і 3,5–5 % СаСО3	930–950	4–15	0,5–1,5
Кам'яновугільний напівкокс у суміші з 10–15 % ВаСО3 і 3,5–5 % СаСО3	930–950	4–15	0,5–1,5
Рідкі карбюризатори
78–85 % NаСО3 або K2CO3 + 10–15 % NаСl + 6–8 % SiС	870–900	0,5	0,15–0,2
Газоподібні карбюризатори
Ендотермічне середовище (20 % З, 40 % Н2, 40 % N2) + до 5 % природного газу (СН4)	930–950	6–10	0,7–1,5
Екзо-ендогаз (20 % З, 20 % Н2, 60 % N2) + 0,5–5 % СН4	930–950	6–10	0,7–1,5
Гази, одержувані з гасу, різних спиртів і інших вуглеводнів, безпосередньо в печі для цементації	930–950	4–10	0,8–1,5

Глибина цементованого шару залежить від хімічного складу цементованої сталі – карбідоутворюючі елементи в сталі Cr, Mo, V, W сприяють збільшенню його глибини і твердості, не карбідоутворюючі Ni, Si – знижують глибину.

Після цементації проводиться термообробка: два гартування (перше для подрібнення зерна серцевини при 880⁰ С; друге для перекристалізації і гартування цементованого шару при 760…780⁰С) і відпуск – при 160…180⁰ С. Деколи для розкладу залишкового аустеніту в шарі проводиться обробка холодом при мінус 70⁰ С. Якщо при обробці холодом виникають тріщини, її заміняють відпуском при 600…630⁰С після першого гартування. Твердість цементованого шару рівна HRC 60…62, серцевини – HRC 20…40. Зносостійкість цементованих сталей приведена в таблиці 3.3.

Вважається, що підвищення втомної міцності сталі після цементації зумовлене збільшенням значень міцності, плинності і твердості дифузійного шару, а також впливом стискуючих напружень першого роду. Границя втоми суттєво підвищується зі збільшенням глибини цементованого шару, досягаючи максимуму за оптимальних товщин 0,4…0,7 мм, а зі збільшенням товщини шару знижується циклічна міцність.

Іонна цементація застосовується для обробки сталей придатних для цементації з прискоренням процесу в порівнянні із традиційною технологією і для підвищення температури без небезпеки росту зерна й одержання непридатної структури. Тліючий розряд дозволяє, не знижуючи якості цементованого шару, інтенсифікувати процес цементації на порядок, при цьому пластичність цементованого шару і серцевини підвищується.

Основне нагрівання при іонній цементації здійснюється радіаційними елементами, додаткове нагрівання й іонізація газового середовища - тліючим розрядом. Реакційна камера є анодом, а вироби й оснащення — катодом. Стійкість розряду і рівномірність процесу насичення забезпечуються заданою витратою середовища - пропан-бутану з дисоційованим аміаком — під тиском 130…800 Па (1…6 мм рт. ст.). При температурі 940°С процес йде в 3 рази швидше, а при температурі 1000°С - у 10 разів швидше, ніж при звичайній газовій цементації. Захист частин виробів від цементації там, де це потрібно за технологією, здійснюється установкою екранів, що закривають ці поверхні від дії розряду.

Таблиця 3.3 - Знос цементованих і загартованих сталей

Сталь	Термічна обробка	ТвердістьНВ	Знос, мг
зразок	Вкладиш(бронза)
18ХНВА	Цементація 1,5мм, гартування 7800С відпуск 1700С		0,5	4,5
40ХНМА	Гартування 8600C відпуск 5500C, поверхневе гартування 1 мм, відпуск - 1800C		4,5	4,0
	Цементація 1,5 мм, гартування 7800C відпуск 1700C		4,0	3,0
	Гартування 8600C відпуск 5500C Поверхневе гартування 1 мм, відпуск 1800C		7,0	3,5

Іонна цементація в поєднанні з повною термообробкою забезпечує стабільні результати по глибині шару, його структурі і твердості. При використанні двоступінчастого варіанту процесу: цементації і наступної витримки при тій же температурі (без подачі газу) - зона підвищеної твердості глибша, ніж при одноступінчатому процесі. У готових виробах мікроструктура шару складається з мілкоголчастого мартенситу з невеликою кількістю залишкового аустеніту (не більш 10%) і рівномірно розподіленими зернистими карбідами в невеликій кількості. При іонній цементації не утворюється карбідна сітка, що спрощує подальшу обробку виробів. Дослідження на малоциклову втому після простої іонної цементації показали її підвищення, у порівнянні зі звичайною газовою цементацією, на 10…20%. Ще більш високі результати отримані після іонної цементації по двоступінчастому режимі.

При іонній цементації спостерігається зниження жолоблення деталей.

Процес цементації з успіхом застосовується для зміцнення виробів самих різних форм, розмірів і призначення. У верстатобудуванні це мілкі і крупні зубчасті колеса, кулачкові шайби, розподільчі і шпиндельні вали, металообробний інструмент. Наприклад, цементація підвищує стійкість штампів для металообробки в 1,5...3 рази. Єдиним видом ХТО, який дозволяє в декілька разів збільшити довговічність бурових доліт є цементація. Надійність роботи двигунів і насосів різного призначення забезпечується цементацією поверхонь відповідальних деталей: пальців поршнів, тарілок клапанів, штовхачів і т.д.