Короткі теоретичні відомості

Цементацією називається процес насичення поверхневого шару стальних виробів вуглецем. Цементація здійснюється для одержання високої твердості на поверхні виробу при збереженні в’язкої серцевини. Вона сприяє підвищенню стійкості проти спрацювання. Процес цементації складається із трьох стадій: дисоціації, яка полягає в розпаді молекул оксиду вуглецю і утворенні активних атомів вуглецю; адсорбції, тобто поглинанні атомів вуглецю, що перебувають у газовій, рідкій або твердій фазі, поверхнею стального виробу і утворенні хімічних зв’язків з атомами металу; дифузії, тобто проникненні атомів вуглецю вглиб металу.

Товщина дифузійного шару залежить від температури нагрівання, тривалості витримки при насиченні і концентрації вуглецю на поверхні.

Цементації піддають деталі, виготовлені із низьковуглецевих сталей, що працюють в умовах контактного спрацювання і знакозмінних навантажень. Її проводять при температурах вище А_сз (900…950°С). Чим менше вуглецю в сталі, тим вища температура нагрівання для цементації. Унаслідок цементації концентрація вуглецю в поверхневому шарі становить 0,8…1,0%. Більш висока концентрація вуглецю сприяє підвищенню крихкості цементованого шару.

Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю по товщині, яка зменшується від поверхні до серцевини. У зв’язку з цим після повільного охолодження в структурі цементованого шару можна виділити 3 зони: заевтектоїдну, що складається із перліту і цементиту вторинного, евтектоїдну, що складається із перліту, доевтектоїдну, що складається із перліту і фериту (рис. 18.1). За глибину цементованого шару звичайно приймають суму заевтектоїдної, евтектоїдної і половину доевтектоїдної зон. Товщина цементованого шару для більшості сталей становить 0,8…1,4 мм.

Середовище, в якому проводять цементацію, називається карбюризатором. В лабораторних умовах найпростіше здійснити цементацію в твердому карбюризаторі. Твердий карбюризатор складається із активованого деревного вугілля (дубового або березового). Для прискорення процесу до деревного вугілля додають активатори – вуглекислий барій (ВаСО₃), кальциновану соду (Na₂CO₃) і т.д. в кількості 10…40% від маси вугілля. Звичайно робоча суміш, що використовується для цементації, складається із 25…35% свіжого карбюризатора і 65…75% відпрацьованого. В цьому випадку вміст ВаСО₃ в суміші становить 5…7%. В ящику між шматочками вугілля є повітря, кисень якого взаємодіє з вуглецем карбюризатора, утворюючи оксид вуглецю СО. Дотикаючись до поверхні деталей, оксид вуглецю дисоціює за реакцією: 2СО = СО₂ + С_ат.

Рис. 18.1. Зміна концентрації вуглецю в поверхневому шарі цементованої деталі (а);

мікроструктура цементованого шару (б)

Атомарний вуглець (С_ат), що виділився, дифундує в глибину металу. Домішки вуглекислих солей активують процес цементації, оскільки при цьому утворюється оксид вуглецю.

Тривалість витримки в печі при температурі цементації залежить від потрібної товщини цементованого шару. На практиці витримка приймається із розрахунку росту шару зі швидкістю 0,1 мм/год. Підвищення температури цементації до 1000…1100°С дозволяє прискорити процес, але такий режим можна застосовувати тільки для спадководрібнозернистих сталей.

Звичайно ящики після цементації охолоджують на повітрі. Після цементації деталі піддають нормалізації для подрібнення зерна, повторному гартуванню і низькотемпературному відпусканню. Унаслідок такої обробки поверхневий шар набуває структури мартенситу відпускання із залишковими карбідами, що забезпечує твердість HRC 60-63.