Цементация стали - обсуждение вопросов

Цементация — это наиболее часто применяемая обработка поверхности стали. Что определяет ее популярность? В статье обсуждаются основы и ход процесса, создание углеродистых атмосфер, факторы, влияющие на эффект углеродивания.

Характеристика цементации

Цементация — это поверхностная термохимическая обработка, заключающаяся в обогащении верхнего слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Цель — получить твердый и устойчивый к истиранию и износу верхний слой, сохранив ударопрочный сердечник. Поэтому после цементации обрабатываемая деталь, как правило, подвергается закалке. Науглероженная поверхность становится твердой, а неуглероженный сердечник остается мягким. 

Уголь переходит из окружающего газа в сталь в процессе адсорбции, а затем проникает вглубь металла в процессе диффузии. 

Адсорбция — это процесс осаждения свободных атомов из газовой или жидкой фазы на границе твердой фазы в виде слоя толщиной в один атом.

Диффузия — это термически активируемый процесс, выравнивающий концентрацию компонентов в пространственной структуре металла в результате движения атомов. Условием диффузии является растворимость в твердом состоянии насыщающего элемента в металле матрицы. Процесс диффузии зависит от температуры, времени и градиента концентрации диффундирующих элементов. Существуют различные механизмы диффузии. В углерождении участвует межвузловая диффузия - атомы углерода перемещаются между атомами железа, расположенными в кристаллической структуре. Диффузия проходит наиболее легко вдоль поверхности металла, сложнее вдоль границ зерен и наиболее сложно внутри зерен.

Применение цементации

Когда после цементации детали подвергаются закалке и низкому отпуску, получаются детали с очень твердой, устойчивой к истиранию и износу поверхностью, но с пластичным, устойчивым к динамическим нагрузкам сердечником. Поэтому цементации подвергаются сталь, предназначенная для деталей машин, зубчатых колес, шлицевых валов, зубчатых валов, распределительных валов, штифтов, колец, втулок, валов подшипников качения и т. д.

Типы и методы цементации

В зависимости от углерожающего реагента выделяют несколько методов углерожения.

Цементация в порошках (Цементация в твердых средах) — самый старый метод цементации. Он заключается в помещении детали в ящик с порошком древесного угля, насыщенного карбонатами (чаще всего бария и натрия), и нагревании его до температуры углерождения. В ящике образуется оксид углерода, который при диссоциации выделяет углерод, диффундирующий в сталь. Это дешевый и простой метод цементации, но, к сожалению, он не дает повторяемых результатов. Древесный уголь в ящике расходуется в процессе, что ослабляет цементацию, причем неконтролируемым образом. Кроме того, этот метод трудно автоматизировать. Газовое углерождение не имеет этих проблем. Интересным вариантом является углерождение с использованием паст, содержащих, например, 50% сажи, 20% карбоната бария, 20% карбоната натрия и 10% цианида железа или 50% сажи, 40% карбоната натрия и 10% железохрома, связанных мелассой. Этот способ позволяет получать углеродистые слои на некоторых выбранных поверхностях обрабатываемого предмета.

Цементация газовая в настоящее время является наиболее распространенным методом цементации. Самый старый метод газового углерождения заключался во введении детали в нагревательную камеру печи с нефтью, бензолом или пиробензолом. При температуре углерождения происходило испарение и разложение жидкости на газообразные компоненты. Однако создаваемая атмосфера приводила к слишком высокой концентрации углерода в слое, кроме того, возможности регулирования были ограничены. Развитием этого метода является введение в печь двух жидкостей с разными углеродистыми свойствами. Изменяя пропорции этих жидкостей, можно точно регулировать процесс. 

Цементация в расплавленных солях (или ванное углерождение) выполняется путем погружения обрабатываемых предметов в расплавленные соли, обычно смеси карбонатов, хлоридов или цианидов щелочных металлов при температуре 830-850 °C. Примерные смеси содержат:

• 47,5% карбоната натрия, 47,5% хлорида калия, 5% карбида кальция, или
• 60% карбоната натрия, 5% карбоната бария, 20% хлорида натрия, 15% карбида кремния.

Цементация в флюидных пластах - здесь углерожующим агентом является порошок (песок или оксид алюминия), который флюидизируется, то есть удерживается в взвешенном состоянии горячим насыщающим газом, проходящим через пласт снизу вверх, благодаря чему порошок приобретает свойства жидкости.

Цементация вакуумная  проводится при пониженном давлении в атмосфере метана, пропана и других газов. Эти газы, распадаясь, отдают атомный углерод, который затем проникает в сталь. Вакуумная цементация обеспечивает лучшую адсорбцию углерода из атмосферы, меньший расход газа и более короткое время процесса.

Цементация ионизационная заключается в нагревании стали в вакуумной печи с одновременным приложением высокого постоянного напряжения между обрабатываемым предметом (который является катодом) и анодом. Происходит разряд и образование плазмы, которая затем активирует образование ионов углерода. Ионы ускоряются в поле потенциала вблизи обрабатываемого предмета и бомбардируют этот предмет, что значительно облегчает проникновение углерода в металл. Этот метод обеспечивает высокую производительность, точное регулирование толщины и структуры углеродистого слоя.

Несмотря на развитие современных методов углерожения, по экономическим и эксплуатационным соображениям наиболее популярным видом остается газовое углерожение, поэтому в дальнейшей части статьи мы сосредоточимся в основном на нем.

Структура, слои и свойства цементирования элементов

В стали после углерождения выделяются следующие слои:

• Углеродистый слой,
  • углеродистый верхний слой (из него иногда выделяют также приповерхностный верхний слой),
  • переходный углеродистый слой,
• Стержень

Химический состав и термическая обработка после углерожения позволяют получить различные структуры в этих слоях. 

При медленном охлаждении после цементации  - верхний слой имеет перлитовую структуру, а в приповерхностной зоне могут присутствовать карбиды, выделенные в процессе охлаждения. Структура переходного слоя представляет собой смесь перлита и феррита, причем чем глубже, тем меньше перлита и больше феррита. Сердцевина содержит как феррит, так и перлит, но больше феррита. При одинаковой толщине верхнего слоя могут встречаться различные толщины переходного слоя. Более толстый переходный слой свидетельствует о плавном снижении концентрации углерода в углеродистом слое. Легированные стали после цементации и медленного охлаждения  могут иметь структуру, идентичную описанной выше, но в структуре углеродистого слоя может также присутствовать бейнит или бейнит с мартензитом, а в сердцевине — бейнит с ферритом. Однако чаще всего после углеродирования происходит закалка, а не медленное охлаждение, поэтому структуры углеродистых и медленно охлажденных элементов не представляют особого интереса.

После закалки - Нагаленный верхний слой имеет твердую структуру мартенсита. В легированных сталях могут присутствовать примеси нежелательного мягкого остаточного аустенита, а также карбидов. Количество остаточного аустенита и карбидов зависит от химического состава сплава, концентрации углерода в слое и вида закалки. В переходной зоне присутствует бейнит и мартензит или только бейнит (в легированных сталях с большими сечениями иногда бейнит с ферритом), при этом количество мартензита уменьшается с глубиной. Сердцевина имеет структуру бейнита. В случае прямого и однократного закалки как мартензит, так и бейнит являются мелкозернистыми, тогда как после закалки с переохлаждением получаются крупнозернистые структуры.

Сталь для цементирования

Для закалки используются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода в пределах 0,10-0,25%. Стали для закалки делятся по легирующим компонентам на несколько основных групп. Химический состав оказывает большое влияние на требуемые свойства сердцевины и поверхностного слоя.

Углеродистая сталь имеет низкую закаливаемость, а значит — низкие свойства сердцевины, даже при небольших сечениях. Углеродистый слой является твердым и устойчивым к истиранию, но сердцевина остается малоустойчивой к динамическим нагрузкам. Преимуществом является низкая цена. Углеродистая сталь для углеродирования используется для малоответственных деталей. Примеры марок: ст10, ct15 и Ст20

Хромистые стали содержат от 0,7 до 1,0% хрома и являются немного более закаливаемыми, чем углеродистые стали, но в целом также предназначены для изготовления малонагруженных деталей. Дальнейшее увеличение содержания хрома, конечно, повысило бы закаливаемость, но в то же время увеличило бы склонность к углерожению и внутреннему окислению. Преимуществом хромистых сталей является низкая цена и небольшое количество остаточного аустенита в углеродистом слое (высокая твердость). Примерные марки: 15Х / 17Cr3 и 20Х / 20Cr4.

Хромо-марганцевые стали более закаливаемы, чем хромовые стали, поскольку марганец снижает критическую скорость охлаждения. По этой причине хромо-марганцевые стали можно использовать для изготовления деталей с большим сечением, подвергающихся средним нагрузкам. Однако марганец вызывает склонность к переуглероживанию и внутреннему окислению, а кроме того, в результате понижения температуры мартенситного перехода марганец способствует появлению остаточного аустенита в углеродистом слое, что снижает износостойкость. Примеры марок: 18ХГ / 16MnCr5, 18ХГТ и 25ХГТ / 1.8401.

Хромо-марганцево-молибденовые стали  содержат меньше марганца и больше молибдена, благодаря чему имеют схожую с хромомолибденовыми сталями закаливаемость, но с меньшей склонностью к внутреннему окислению и меньшим количеством остаточного аустенита в углеродистом слое. Примерный сорт  18ХГМ / 18CrMo4 / 1.7243.

Хромоникелевые стали содержат от 1,4 до 3,2% никеля, что обеспечивает в разы большую закаливаемость по сравнению с беznikлевыми сталями и дополнительно улучшает пластичность сердцевины. Эту сталь можно использовать для изготовления сильно нагруженных элементов с очень большими сечениями. Особенно высокие свойства демонстрируют марки с дополнительно повышенным содержанием хрома, поскольку никель смягчает неблагоприятные последствия, вызванные повышенным содержанием хрома. Однако хромоникелевые стали имеют большое количество остаточного аустенита в поверхностных слоях, а значит, меньшую твердость и износостойкость. Кроме того, никель является дорогостоящим материалом. Примеры марок: 17Х2ГН2 / 17CrNi6-6 / 1.5918, 19ХГН / 16NiCrS4 / 1.5715,  18H2N2 / 18CRNI8 / 1.5920 и 15HGN / 18NICR5-4 / 1.5810.

Хромо-никелево-молибденовые стали имеют меньшую закаливаемость, чем хромо-никелевые стали, а значит, меньшую стойкость к нагрузкам, но все же значительно большую, чем стали, не содержащие никель. Добавки молибдена/марганца уменьшают количество остаточного аустенита, поэтому повышают твердость и износостойкость углеродистой зоны. Примеры марок: 18Х2ГН2М / 18CrNiMo7-6 или 18Х2Н4МА.

Современными сталями для цементации можно считать хромомолибденовые или хромоникелемолибденовые стали.

Температура и время цементации газа

Температура газового углерождения составляет 850-950°C, а чаще всего 900-920°C. При этих температурах растворимость углерода в аустените настолько велика, что обеспечивает 0,7-1,0% поверхностной концентрации углерода без выделения сажи и образования карбидов для слоев различной толщины.

Как повышение температуры, так и увеличение времени углерожения приводят к увеличению толщины углеродистой прослойки. Однако время углерожения влияет на первые часы углерожения, а с каждым часом его влияние становится все меньше. Поэтому на практике более толстые углеродистые слои получают при более высоких температурах. Например, для получения углеродистого слоя толщиной 1,5 мм при температуре 900 °C требуется 10 часов углерождения, а при температуре 950 °C это занимает всего 4 часа. Экономия времени в данном случае составляет 6 часов. При толщине слоя 2,5 мм экономия времени в данном случае составила бы уже 8 часов.

Как правило, углерождение при температуре выше 950 °C не рекомендуется из-за роста зерна. Однако в случае легированных сталей с большими сечениями и толстым слоем для углерождения повышение температуры сокращает процесс более чем наполовину и может быть оправданным. Примеси, ограничивающие рост зерен, включают, например, 0,02-0,04% Al и 0,01% N. Хром и молибден, добавляемые для повышения закаливаемости, также препятствуют росту зерен в процессе углерожения. При температуре выше 1000 °C рост зерен можно сдерживать добавками 0,045% Nb, 0,01% Ti и не менее 0,017% N и более 0,03% Al.

Атмосферы, способствующие углерождению при газовой цементации

Основными углеродистыми газами являются оксид углерода CO и углеводороды C_nH_2n+2  или C_nH_2n. Под воздействием высокой температуры и каталитического действия железа они подвергаются диссоциации, высвобождая свободные частицы углерода. Описание реакции:

2 CO -> CO₂ + C

C_nH_2n+2  → (2n+2)H + nC

C_nH_2n -> 2nH + nC

Свободные частицы углерода очень химически активны и поглощаются сталью. Однако, если поверхность стали не успевает поглощать углерод, выделяющийся в результате реакции, на ней образуется свободный углерод в виде сажи, который затрудняет дальнейший процесс углерожения. Поэтому контроль состава газа и других технологических параметров имеет большое значение.

Наиболее широкое промышленное применение имеют четыре атмосферы газового углерождения, две из топливных газов (эндотермические обогащенные) и две из жидких органических соединений, полученных в результате их разложения или преобразования:

• эндотермическая, обогащенная природным газом (0,4% CO₂; 20,8% CO; 0,5% CH₄; 41,8% H₂; 36,5% N₂),
• эндотермическая, обогащенная пропаном (0,5% CO₂; 24,0% CO; 0,5% CH₄; 32,2% H₂; 42,8% N₂),
• из распада метанола с этилацетатом (0,48  CO₂; 32,4% CO; 0,9% CH₄; 65,9% H₂; 0% N₂),
• из конверсии ацетона с водой (0,8% CO₂; 34,2% CO; 1,7% CH₄; 62,9% H₂; 0% N₂) .

Эндотермические атмосферы дешевле, но атмосферы, образующиеся из органических соединений, имеют более высокий углеродный потенциал.

Цементация с постоянным и изменяющимся углеродным потенциалом углерождающей атмосферы

Для успешного процесса цементации необходимо поддерживать соответствующий углеродный потенциал углерождающей атмосферы. Углеродный потенциал углеродительной атмосферы — это способность атмосферы в печи поставлять углерод на поверхность стали. Атмосфера со слишком низким потенциалом не будет эффективно углеродить сталь и даже может ее обесуглерить. Атмосфера со слишком высоким потенциалом будет выделять сажу, затрудняющую дальнейшее углерождение. По мере углерожения стали углеродный потенциал атмосферы изменяется — сначала он резко падает, поскольку частично углероженная сталь менее готова к поглощению углерода, но затем может также расти, когда ранее выделенная в более холодных частях печи сажа вновь связывается атмосферой.

Можно попытаться получить постоянный или переменный углеродный потенциал углерождающей атмосферы. В любом случае атмосфера управляется во времени.

Цементация с постоянным углеродным потенциалом - здесь регулируется поток атмосферы таким образом, чтобы поддерживать относительно постоянный углеродный потенциал. Примерный ход:

• 1 час — большой расход, выделяется сажа в более холодных частях печи
• 2 часа — поток небольшой, сажа связывается атмосферой
• от 3 часов - поток больше, но не такой большой, как вначале - запас сажи исчерпан, поток увеличивается, чтобы поддерживать постоянный углеродный потенциал

При углеродении с постоянным углеродным потенциалом этот потенциал обычно составляет 0,8-1,0%C. Более высокие потенциалы возможны при углеродении с переменным потенциалом.

Цементация с переменным углеродным потенциалом в две фазы. В первой фазе процесса следует использовать атмосферу с максимально возможным углеродным потенциалом, при котором слои требуемой толщины получаются за наименьшее время. Такая атмосфера приводит к слишком высокой концентрации углерода в слое. Поэтому во второй фазе используется атмосфера с более низким углеродным потенциалом, равным оптимальной поверхностной концентрации углерода в слое.

Существует также способ карбонизации с атмосферой постоянного углеродного потенциала и без управления потоком, однако в этом случае повторяемость результатов неудовлетворительна, поэтому этот метод следует ограничить случаями малоответственного производства.

Процесс цементирования газом

Процесс газового углерожения состоит из следующих этапов:

1. Промывка печи заключается в замене воздуха, находящегося в печи, и уменьшении количества оксидов, образовавшихся во время нагрева. Отсутствие промывки печи приводит к тому, что на начальном этапе углерождения обрабатываемый предмет не углерождается, а окисляется.
2. Подготовка заготовки заключается в распределении деталей в заготовке, очистке поверхности, в некоторых случаях в защите деталей от углерождения.
3. Нагрев загрузки - время нагрева зависит от толщины и массы загрузки. На этом этапе не используется углеродистая атмосфера, так как при низких температурах из нее выделяется сажа.
4. Цементация - в печь вводится углеродистая атмосфера и проводится уже описанное углерождение с постоянным или переменным потенциалом.
5. Охлаждение / закалка - деталь охлаждается медленно или быстро. Эта часть обсуждается ниже.

Закалка после цементации

Существует несколько методов закалки после закалки. Выбор определяется технологическими условиями и требованиями к свойствам закаленной поверхности и сердцевины.

Непосредственное закаливание  заключается в быстром охлаждении (закаливании) заготовки непосредственно после закалки и с температуры закалки. Это самый простой, быстрый и дешевый метод закалки. Он также гарантирует сохранение поверхностной концентрации углерода, а меньшее количество нагревов и охлаждений означает меньший риск деформации.  К сожалению, такая закалка выполняется при высокой температуре, что приводит к росту зерен и ухудшению механических свойств, как описано в этой статье. Этот метод также способствует развитию остаточного аустенита в легированных сталях в слоях с более высоким содержанием углерода. Метод применяется для деталей, к которым не предъявляются слишком высокие требования. Наилучшим образом подходит для мелкозернистых сталей.

Прямая закалка с охлаждением заключается в охлаждении заготовки после углерожения с температуры углерожения (850-950°C) до температуры, оптимальной для закалки (780-850°C), а затем закалки в охлаждающей ванне. Необходимость охлаждения всей печи приводит к удлинению технологического процесса. Этот метод не вызывает роста зерна и даже лучше защищает от деформаций при закаливании. Здесь важно правильно подобрать температуру охлаждения для данной стали. В некоторых сталях при температуре 790 °C аустенит в сердцевине может превратиться в феррит, который не преобразуется в бейнит при закаливании, поэтому элемент будет иметь худшие механические свойства.

Прямое закаливание с перлитовым превращением  заключается в охлаждении заготовки после углерождения до температуры 600-650°C, выдержке при этой температуре до окончания перлитного преобразования, затем нагревании до температуры закалки 780-850°C и, после выравнивания температур, закалке в охлаждающей ванне. Этот способ позволяет получить благоприятный мелкоигольчатый мартенсит при углерожевании крупнозернистых сталей.

Однократное закаливание  заключается в медленном охлаждении заготовки после закалки, затем в нагревании до температуры 780-850°C и закаливании при этой температуре. Это приводит к потере времени и необходимости дополнительного нагрева, а кроме того, медленное охлаждение дает возможность выделения карбидов в поверхностном слое и феррита в сердцевине. Метод применяется, когда между углерождением и закалкой требуется механическая обработка или когда прямая закалка невозможна.

Двойная закалка  это сочетание прямого закалки с однократной закалкой - сначала закаливают с температуры углерождения, затем снова нагревают до температуры 780-850°C и закаливают с этой температуры. Этот метод лучше однократной закалки, так как устраняет риск образования карбидов или феррита. К сожалению, этот метод сопряжен с большим риском появления деформаций при закаливании.

Библиография

A. Moszczyński, Nawęglanie gazowe stali, WNT, 1983

Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1986

Нужна помощь? Свяжитесь с нами!

Позвоните или напишите сообщение, и наш представитель свяжется с вами в течение 24 часов!

Написать

[email protected]