Проект участка химико-термической обработки

     Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые (0,1–0,25% С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен иметь твердость HRС 58–62, а сердцевина HRC 20–40. Сердцевина цементуемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

     Для деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложно-легированные стали.

     Одновременное легирование хромом и никелем  повышает прочность, пластичность и  вязкость сердцевины. Никель, кроме, того, повышает прочность и вязкость цементованного слоя.

     Хромоникелевые  стали малочувствительны к перегреву  при длительной цементации и не склонны  к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенйта в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

     Рисунок 2 – Диаграмма изотермического  превращения переохлажденного аустенита  для цементуемых стали 12ХН3А в нецементованном (слева) и цементованном (справа) состояниях

     1.1 Общие положения

     Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая  обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали  углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные  свойства цементованных изделий приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.

     Цементация  широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование 0,05–0,010 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди (0,02–0,04 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией подвергнуть промывке в 3 – 5% содовом растворе.

     Процесс газовой цементации обладает рядом  преимуществ по сравнению с цементацией  в твердом карбюризаторе:

• повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;
• сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы, так как отпадает необходимость в упаковке и распаковке деталей, хранении и транспортировке ящиков и карбюризатора;
• сокращается потребность в жаростойком материале, так как расход его на муфели и приспособления при газовой цементации гораздо меньше, чем на ящики при цементации в твердом карбюризаторе;
• появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;
• уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;
• появляется возможность непосредственной закалки деталей после цементации;
• применение печей непрерывного действия позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс и установить агрегат для термической обработки в поточной линии механического цеха.

     Углеводороды  являются основными науглероживающими  газами, причем главную роль среди  них играет метан. Содержание метана в цементующей среде 1 – 40%. Окись углерода как науглероживающий компонент в условиях газовой цементации имеет второстепенное значение, хотя содержание ее в газовой фазе может достигать значительной величины (до 30%). Содержание кислорода и двуокиси углерода обычно невелико и в сумме не превышает 2 – 3%; содержание водорода, являющегося обезуглероживающим газом, в цементующей среде может достигать 80%.

     В настоящее  время наиболее перспективным методом  газовой цементации является насыщение  в эндотермической атмосфере  с контролируемым углеродным потенциалом. В начале процесса (в активный период насыщения) поддерживают высокий углеродный потенциал атмосферы за счет добавки  к эндотермической атмосфере  необработанного углеводородного  газа (метана или пропана-бутана). В  диффузионный период углеродный потенциал  атмосферы устанавливается 0,8 – 1,0% и количество добавляемого углеводородного  газа резко уменьшается.

     Принято различать полную и эффективную  толщину цементованного слоя (см. рис. 3).

     За  эффективную толщину принимают  сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зоны слоя. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5–1,8 мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных нагрузках на цементованную поверхность.

     Структура после цементации получается крупнозернистой  в связи с длительной выдержкой  деталей при температуре науглероживания. Длительность изотермической выдержки при цементации зависит от заданной толщины слоя и марки цементируемой  стали.

       
Рисунок 3 – Участок диаграммы Fе–FезС. Изменение содержания углерода и структуры по толщине цементованного слоя (схема): t ц – температура цементации; t₃₁ – температура нагрева при первой закалке; t₃₂ – температура нагрева при второй закалке.

     1.2 Режим цементации

     Температура цементации. Температурный режим цементации слагается из двух, иногда из трех периодов. В первый период происходит нагрев деталей до заданной рабочей температуры. Второй период соответствует выдержке при рабочей температуре процесса, которая за весь период остается неизменной. По окончании выдержки, если осуществляют непосредственную закалку деталей, наступает третий период – подстуживание до температуры закалки.

     Главный фактор температурного режима цементации – рабочая температура процесса. На заводах эту температуру устанавливают  в интервале 900 – 1000 °С. С повышением температуры скорость цементации резко увеличивается. Поэтому ученые и производственники изыскивают возможности повышения температуры процесса. При этом возникают следующие трудности: ухудшение механических свойств металла вследствие роста зерна при высокой температуре и снижение стойкости оборудования и приспособлений. Кроме этого, возможны и другие затруднения, например увеличение деформации деталей под действием высокой температуры.

     Рисунок 4 – Влияние температуры на глубину  цементационного слоя

При современном  техническом уровне производства сталей это представление устарело. Промышленностью  освоен выпуск новых марок легированных сталей, обладающих устойчивостью против роста зерна аустенита.

     При высокотемпературной цементации наследственно  мелкозернистых сталей несколько увеличиваются  размеры зерна. Однако в результате последующей правильно проведенной  термической обработки в этих сталях не наблюдается ухудшения  механических свойств по сравнению  с цементацией при обычной  температуре.

     На  рисунке 4 показано влияние температуры  на глубину цементованного слоя при различной продолжительности процесса.

     Детали  из стали 12ХН3А после высокотемпературной  цементации (930 °С) нужно подвергать закалке с повторного нагрева; в противном случае не будет обеспечена необходимая мелкозернистость.

     Продолжительность цементации. Общая продолжительность цементации слагается из суммы времени, необходимого для прогрева деталей до рабочей температуры процесса, времени выдержки при этой температуре для получения цементованного слоя заданной глубины и времени подстуживания.

     Продолжительность периода прогрева в печах зависит  от веса садки, температуры печи в  момент загрузки, тепловой мощности печи и рабочей температуры процесса

     Продолжительность периода выдержки для получения  цементованного слоя заданной глубины зависит главным образом от температуры и требуемой глубины слоя, при этом имеют значение также активность карбюризатора и химический состав цементуемой стали.

     Скорость  цементации не остается постоянной даже при одной и той же температуре. Как известно, по мере увеличения глубины  слоя она уменьшается. Если принять  в определенных интервалах глубины  слоя эту скорость постоянной, что  практически вполне допустимо, то для  данной температуры процесса продолжительность  его можно приближенно определить, разделив заданную величину слоя на среднюю  скорость цементации. В табл. 2 приведены  средние значения скорости газовой  цементации в зависимости от температуры  для различных интервалов глубины  слоя.

     Как видно из таблицы, при цементации на глубину 1,5 мм при температуре процесса 930 °С время цементации составляет 8–10 ч. Продолжительность нагрева составляет 30 – 40% общего времени цементации.

     Таблица 2 – Средние значения скорости газовой  цементации при

     Приведенные цифровые данные о скорости цементации являются усредненными и могут служить  лишь как ориентировочные при  разработке технологического процесса газовой цементации.

      Режим охлаждения. Режим охлаждения деталей после цементации во многом определяет свойства цементованного слоя. Скорость охлаждения должна быть выбрана так, чтобы обеспечить минимальное коробление деталей, отсутствие трещин, карбидной сетки и, в случае необходимости – возможность механической обработки. Практически после газовой ццементации охлаждение дедеталей осуществляют на воздухе и в закалочных средах.

      При цементации легированных сталей от режима охлаждения зависит склонность к  образованию трещин. Трещины всех видов при химико-термической  обработке возникают вследствие внутренних напряжений. Эти напряжения вызываются неоднородностью структуры  различных зон цементованного слоя, что присуще самой его природе. В легированных сталях в результате охлаждения после цементации в слое могут образоваться зоны со структурой мартенсита, троостита и остаточного аустенита, имеющие разные удельные объемы, что вызывает появление внутренних напряжений.

      Сущность  всех рекомендаций по предотвращению трещин, связанных со структурными превращениями в цементованном слое, заключается в том, чтобы избежать появления в нем полосчатой структуры, состоящей из зон с различными удельными объемами.

      Для каждой марки стали существует своя «опасная» скорость охлаждения, способствующая образованию наиболее неоднородной структуры, которая может быть причиной возникновения трещин. Для предотвращения трещин охлаждение нужно ускорить или  замедлить в зависимости от марки  стали, типа деталей и других условий.

      Цементация  с непосредственной закалкой имеет  ряд преимуществ: уменьшается, а  в ряде случаев полностью устраняется  образование окалины и обезуглероживание, повышается производительность и снижаются  затраты на обработку, появляется возможность  совмещения всего цикла обработки  в одном агрегате с полной механизацией и автоматизацией всех операций. Недостатками такого процесса являются повышенная деформация деталей и увеличение количества остаточного аустенита в стали. Частично эти недостатки устраняются подстуживанием различных температурах процесса деталей перед закалкой. В зависимости от марки стали температура подстуживания может быть в пределах 780 – 840 °С. Следует иметь в виду, что подстуживание перед закалкой на воздухе или в печи без защитной среды вызывает поверхностное обезуглероживание, вследствие чего снижается прочность деталей на 20 – 30%.