Сущность цементации

СУЩНОСТЬ ЦЕМЕНТАЦИИ

Цементация—диффузионный процесс, при котором поверхностный слой мягкой стали насыщается углеродом. После закалки цементованной стали отчетливо различаются твердости поверхности и сердцевины. При некоторых способах цементации в карбюризатор вводят вещества, содержащие азот. До тех пор, пока преобладает диффузия углерода, процесс считают цементацией. В таких случаях присутствующий азот рассматривают как элемент, несколько изменяющий равновесие диаграммы Fe—С в направлении расширения области аустенита.1 Процессы, протекающие в соответствии с диаграммой равновесия Fe—N, относятся к азотированию. После азотирования, за исключением особых случаев 2, закалку не производят.

Поскольку в настоящей  книге поставлена цель подробно ознакомить "с цементацией и ее сущностью, необходимо на­помнить некоторые превращения, протекающие согласно диаграмме  равновесия системы Fe—-С, в соответствии с которой назначается предварительная и окончательная термическая обработка слоя.

§ 1. Система Fe—С (содержание углерода до 2%)

В диаграмме равновесия Fe — С достаточно рассмотреть  только часть, имеющую значение для  цементации стали и соответствующую  наибольшей растворимости углерода в аустените. Для этого пригодна метастабильная карбидная система, так как цементация практически  не связана со стабильной графитовой системой.

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ СТАЛИ

К цементуемым относят  стали, состав которых позволяет  легко производить насыщение  их поверхности углеродом. Поверхность  этих сталей после закалки приобретает  твердость, а сердцевина остается достаточно вязкой. Стали, содержащие около 0,25% углерода с небольшим количеством легирующих элементов, цементуются легко; высокое  содержание легирующих элементов может  препятствовать диффузии углерода.

Цементуемые стали  бывают углеродистыми или легированными. По качеству цементуемые стали делятся  на обыкно­венные, качественные и высококачественные (легированные).

Для обзорного описания и классификации цементуемых  сталей примем Чехословацкий Государственный  Стандарт (CSN) 420075. По стандарту стали  делят на десять классов. Стали, пригодные  для цементации, входят и классы 10, II, 12, И, 15 и 16.

К классам 10 и 11 принадлежат  углеродистые конструкционные стали  обыкновенного качества, у которых  химический состав не проверяется; класс 12 включает углеродистые качественные конструкционные стали; класс 14-—легированные  конструкционные стали, содержащие хром и марганец; класс 15 — стали, которые наряду с хромом содержат молибден и ванадий; и класс 16 —  стали, содержащие никель или никель совместно с хромом или другим элементом.

Цементуемые стали  для изготовления инструментов, имеющие  одинаковое строение с конструкционными сталями, по CSN 420075 отмечают буквой F.

Кроме указанных  основных групп цементуемых сталей, часто подвергают цементации автоматные стали и стали других марок, например, закаливаемые для зубчатых колес, стальные отливки, ковкий чугун с глубоко  обезуглероженной поверхностью.

§ 2. Значение химического  состава и чистоты цементуемых  сталей

Для того чтобы судить о пригодности сталей к цементации и установить, можно ли получить после цементации и закалки стали  нужного качества, необходимо знать, какое влияние на процесс цементации оказывают отдельные элементы, входящие в состав сталей [22].

На химический состав и химическую чистоту стали оказывают  решающее влияние имеющиеся в  шихте включения. Под включениями  подразумевают самостоятельные  фазы, которые не образуют с железом  основную массу, а выделяются при  раскислении или механически  отделяются от шлака и от огнеупорной  футеровки.

К химическому составу  стали относят основные элементы, содержание которых заранее установлено  маркой стали. Шихтовые примеси 'не принадлежат  к заранее заданному составу; в большинстве случаев это  примеси-спутники, имеющиеся в незначительном количестве и, чаще всего, нежелательные. Шихтовые примеси никеля и молибдена  обеспечивают улучшение прокаливаемости.

Выбирая цементуемую  сталь, нужно учитывать влияние  всех составляющих ее элементов.

Во вводной части  отмечалось значение углерода для цементации. Здесь необходимо напомнить о  влиянии углерода на качество сердцевины. С возрастанием содержания углерода увеличиваются прочность и твердость  сердцевины. Ударная вязкость в то же время равномерно понижается. При  одинаковом содержании в составе  легированных и углеродистых сталей углерод больше влияет на качество легированной стали, чем углеродистой. Это связывают со смещением положения  отдельных точек диаграммы равновесия железо — углерод под влиянием легирующих элементов.

Чтобы сохранить  хорошее соотношение между ударной  вязкостью и прочностью сердцевины у легированных сталей, содержание углерода не должно превышать 0,18%, в  то время как углеродистые стали  можно успешно подвергать цементации и при содержании до 0,22% углерода. При этом абсолютная прочность и  ударная вязкость легированных сталей увеличиваются.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА  ЦЕМЕНТОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Термическая обработка  для цементованных сталей очень  важна, так как с ее помощью  после цементации придают изделию  требуемые свойства.

Иначе обстоит дело при обработке азотированных детален. Необходимые свойства деталям .придают до того, как их подвергают азотированию. В данном случае термическая обработка является операцией предварительной. После азотирования термическую обработку не производят. В этом существенное отличие азотирования от цементации.

Предварительная термическая  обработка важна и для цементуемых  изделий, так как она позволяет, например, уменьшить коробление после  цементации, когда производят закалку.

Термическая обработка, в сущности, одинакова для всех способов цементации и ниже описана  подробно.

Целесообразно разделить  цементуемые стали на группы:

а)                  углеродистые и .низколегированные (классы   10 и 11, а из класса 12 и других—стали 12010,   12020, 16120, иногда 14120);

б)                хромистые, хромомарганцевые, хромомолибденовые  и низколегированные хромоникелевые (14120,   14220,   14221,   15222, 16121, 16130);

в)                высоколегированные никелевые и  хромоникелевые (16320, 16220, 16231, 16420, 16520, 16720).

Термическую обработку  цементуемых сталей производят перед  цементацией, после цементации и  для исправления дефектов.

§ 1, Термическая обработка  перед цементацией

Цементуемые стали  чаще всего поставляют без термической  обработки, т. е. в сыром, 'но нередко  и в отожженном (для смягчения) состоянии. В сыром состоянии (после прокатки или ковки) поставляют стали группы и большую часть сталей группы б. Стали группы в поставляют  в отожженном состоянии.

ЦЕМЕНТАЦИЯ В ТВЕРДОМ  КАРБЮРИЗАТОРЕ

Во введении было подчеркнуто, что цементация стали  в твердых карбюризаторах является самым старым способом. Кузнецам еще  в далеком прошлом было известно, что мягкая сталь при продолжительном  нагревании в древесных углях  без доступа воздуха становится закаливаемой. С XVII столетия хорошо известна цементация стали в твердых карбюризаторах. Она преследовала тогда две цели: сделать мягкую сталь закаливаемой и превратить мелкие или тонкостенные полуфабрикаты из сварочной стали  в изделия из закаливаемой стали. Позднее появилась третья цель —  насыщение мягкой стали необходимым  количеством углерода и получение  высококачественной стали в слитках  с помощью последующей ее переплавки.

Интересный процесс  — диффузия углерода в сталь со всеми технологическими особенностями  — привлек внимание известных  химиков и физиков XVIII и XIX вв.; каждый из них внес свой вклад в изучение явления цементации.

Во второй половине XIX в., после возникновения металлографии, интерес к изучению сущности цементации возрос еще больше. Среди ученых того времени в области металлургии  и металлографии не было почти  ни одного, который не занимался  бы изучением цементации. Название важной фазы — цементит в системе  равновесия железо — углерод, показывает, как цементация связана с указанной  системой.

Если проследить развитие цементации стали в твердых  карбюризаторах, то необходимо остановиться на двух важных этапах. В 1841 г. Лепле  открыл, что цементация в древесном  угле происходит за счет окиси углерода. Следующим важным шагом на пути к  познанию действия цементующих порошков было открытие Карона, который в 1851 г. установил роль карбонатов щелочных и щелочноземельных металлов в качестве активизаторов и предложил состав классического твердого карбюризатора: смесь древесного угля с углекислым барием.

ЦЕМЕНТАЦИЯ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Цементация в расплавленных  солях появилась сравнительно недавно. Она была известка перед первой мировой  войной, но широкое распространение  получила в 1925—1935 гг. и с того времени  с успехом применяется при цементации деталей небольших и средних размеров. Для деталей больших размеров преобладает цементация в твердых карбюризаторах.

Кроме упоминания о  цементации в жидком чугуне1, в технической литературе эпохи Возрождения (Бирипгуччо и Агрикола) tie встречалось сведений о применении для цементации жидких и расплавленных солей. Жидкие среды для цементации, вероятно, начали использовать в то время, когда стало известно о действии желтой кровяной соли на сталь. С 1920 г. увеличивается количество работ о новом способе цементации в расплавленных солях, появляются патенты и начато его промышленное использование.

В Советском Союзе  изучены пригодные для цементации соли, разработаны инструкции для  заводов, успешно решен вопрос об использовании известковых солей.

В Чехословакии вырабатывают соль для цементации под названием  «синферрит» на национальном предприятии  Драсловка-Колин в таком же составе  и таком же обозначении, как и  ранее упомянутая соль «дурферрит».

 Выбор стали  для нитроцементации

Нитроцементации можно  подвергать каждую цементуемую сталь, но на практике ограничиваются применением  углеродистой цементуемой стали, так  как слой на этой стали получает под влиянием азота хорошую [фокаливаемость, близкую к прокаливаемости низколегированных  сталей.

О нитроцементации  легированных сталей до сих пор мало известно. По немногим работам с легированной сталью [57] можно судить, что у хромистых сталей происходит интенсивное насыщение азотом с возникновением нитридов хрома, которые выделяются на границах аустенитного зерна и образуют хрупкий слой. Можно предположить, что азот повышает склонность легированной стали к образованию остаточного аустенита.

§ 12. Выбор газовой  среды для нитроцементации

Нитроцементация можег  быть проведена и в газах; для нее используют все указанные выше газовые среды (даже очень богатые углеродом и образующие много сажи). Аммиак применяют для разбавления среды. Ннтроцементующие среды состоят из смеси двух или трех частей цементующего газа и аммиака или из смеси цементующего и несущего газов и аммиака.

Обычно сжиганием  приготовляют, например, эндотермический  газ и к нему добавляют небольшое  количество науглероживающего газа (пропана, бутана) и аммиака. Установлено, что при добавке аммиака повышается потенциал науглероживания, поэтому  примесь науглероживающего газа может быть меньше, чем при обычной  цементации.