Цементація сталі, Матеріалознавство
Цементацією (науглероживанием) називається хімікотермічна обробка, що полягає в дифузному насиченні поверхневого шару сталі вуглецем при нагріванні у відповідному середовищі - карбюризаторі. Як правило, цементацію проводять при температурах вище точки, коли стійкий аустеніт, який розчиняє вуглець у великій кількості.
Остаточні властивості цементовані вироби набувають у результаті загартування та низької відпустки, що виконуються після цементації.
Призначення цементації та подальшої термічної обробки - надати поверхневому шару високу твердість та зносостійкість, підвищити межу контактної витривалості та межу витривалості при згинанні та крученні.
На цементацію деталі надходять після механічного оброблення з припуском на шліфування (50-100 мкм). У багатьох випадках цементації піддається лише частина деталі; тоді ділянки, що не підлягають зміцненню, захищають тонким шаром міді (20 - 40 мкм), яку наносять електролітичним способом або ізолюють спеціальними обмазками, що складаються з суміші вогнетривкої глини, піску та азбесту, замішаних на рідкому склі, ленітом та ін.
Мал. 148. Схема розподілу вуглецю (а) та твердості після гарту та низької відпустки (б) по товщині цементованого шару: х0 - ефективна товщина шару; xQ - загальна товщина шару
Механізм освіти та будова цементованого шару
Дифузія вуглецю в сталь можлива тільки в тому випадку, якщо вуглець знаходиться в атомарному стані, що отримується, наприклад, дисоціацією газів, що містять вуглець (СО; СН4 та ін.). Атомарний вуглець адсорбується поверхнею сталі і дифундує в глиб металу.
При температурі цементації (вище за крапку Ас3) дифузійний шар складається тільки з аустеніту, а після повільногоохолодження - з продуктів його розпаду - фериту та цементиту. При цьому концентрація вуглецю не досягає межі насичення при цій температурі.
Цементований шар має змінну концентрацію вуглецю за товщиною, що зменшується від поверхні до серцевини деталі (рис. 148, а). У зв'язку з цим після повільного охолодження в структурі цементованого шару можна розрізнити (від поверхні до серцевини) три зони (рис. 149 а): заевтектоїдну, що складається з перліту і вторинного цементиту (1), що утворює сітку по колишньому зерну аустеніту; евтектоїдну (2), що складається з одного пластинчастого перліту, і доевтектоїдну зону (3), що складається з перліту та фериту. Кількість фериту в цій зоні безперервно зростає з наближенням до серцевини.
За ефективну товщину цементованого шару часто приймають суму заевтектоїдної та половини перехідної (доевтектоїдної) зон (до вмісту 0,45 % С), що відповідає 50 HRC (див. рис. 148, б). Для багатьох виробів ефективна товщина шару приймається після гарту до HV500 або HV700 для відповідальних деталей.
Мал. 149. Мікроструктура цементованого шару після повільного охолодження (а) та загартування (б), Х200: 1 - заевтектоїдна зона (перліт + цементит у вигляді тонкої сітки); 2 - евтектоїдна (перліт); 3 - доевтектоїдна зона (перліт - чорні, ферит - білі ділянки); xе – ефективна товщина шару (50 HRC)
0,17 % З товщину шару зменшують до 5-9 %, а для деталей, що працюють на зношування, які не мають великих питомих навантажень, - до 3-4 % від найменшої товщини або діаметра перетину, що цементується.
У разі цементації сталей, легованих карбідоутворюючими елементами, при температурі дифузії можливе утворення двофазного шару з аустеніту та карбідів глобулярної форми. На товщину шару легуючі елементив тій кількості, в якій вони присутні в стаментах, що цементуються, практично не впливають.