Цементация металла¶
Цементация — вид химико-термической обработки (ХТО) стали, процесс науглероживания поверхностного слоя детали путём насыщения её углеродом при нагреве в углеродсодержащей среде. Применяется для повышения твёрдости, износостойкости и усталостной прочности деталей машин при сохранении вязкого и пластичного ядра. Температура процесса обычно составляет 900–950 °C, насыщение ведут в твёрдых, жидких или газообразных карбюризаторах.
¶Суть процесса
При нагреве стали выше критической точки (Ac₃) структура переходит в аустенит, способный растворять значительное количество углерода. Деталь помещают в среду, богатую углеродом (карбюризатор), и выдерживают при высокой температуре. Атомы углерода из среды адсорбируются на поверхности металла, диффундируют вглубь и связываются с железом, образуя цементит (Fe₃C). Время выдержки определяет толщину цементированного слоя — от нескольких десятков микрометров до 1,5–2 мм.
После насыщения проводят термообработку: обычно закалку с температуры ниже 800 °C (чтобы не вызвать рост зёрен аустенита в цементированном слое) и низкий отпуск при 150–200 °C. В результате поверхность получает твёрдость 58–64 HRC, а сердцевина сохраняет вязкость.
¶Виды цементации
По агрегатному состоянию карбюризатора различают:
- Твёрдую (порошковую) — деталь загружают в ящик с твёрдым карбюризатором: древесным углём, коксом, карбидом кальция с добавками (сода, бурый уголь, мел). Процесс протекает медленно, среда многократно регенерируется.
- Газовую — насыщение ведут в атмосфере газов, содержащих метан (CH₄), пропан, бутан, иногда с добавкой аммиака. Наиболее распространённый в промышленности способ, позволяет точно регулировать концентрацию углерода и обеспечивает чистую поверхность детали.
- Жидкостную — в расплавах солей (цианистых, цианатных ваннах) или в расплавленном свинце с добавлением карбюризаторов. Отличается высокой скоростью диффузии и равномерностью слоя.
- Вакуумную — проводят в разреженной атмосфере с подачей углеводородных газов; обеспечивает точное регулирование глубины слоя и отсутствие окисления.
- Ионную (плазменную) — деталь является катодом в вакуумной камере; ионы углерода ускоряются к поверхности и внедряются в неё. Позволяет обрабатывать детали сложной формы с минимальным последующим шлифованием.
¶Технологические параметры
Основные параметры процесса — температура, время выдержки и химический состав среды. Глубина слоя пропорциональна √τ (корню квадратному из времени выдержки), поэтому увеличение времени вдвое увеличивает глубину лишь примерно в 1,4 раза. Повышение температуры ускоряет диффузию, но ограничивается температурой спекания карбюризатора и риском роста зёрен.
Концентрация углерода на поверхности обычно доводится до 0,8–1,1 % — этого достаточно для получения мартенсита высокой твёрдости после закалки. Избыточное насыщение приводит к образованию сетки цементита, ухудшающей механические свойства.
¶Применение
Цементации подвергают детали, работающие в условиях изнашивания при знакопеременных нагрузках и требующие сочетания твёрдой поверхности с вязким сердцем:
- зубчатые колёса и шестерни;
- валы, оси, пальцы;
- кулачки, толкатели, звёздочки цепей;
- шпиндели, винты, болты высокой прочности.
Наиболее широко цементация применяется в машиностроении, автомобилестроении, станкостроении и производстве сельскохозяйственной техники.
¶Отличие от других видов ХТО
С цементацией часто путают диффузионную металлизацию — процесс насыщения поверхности не углеродом, а металлами (хромом, алюминием, кремнием, бором). При хромировании, например, образуется слой карбидов хрома, обеспечивающий твёрдость до 70 HRC и коррозионную стойкость. Азотирование — насыщение азотом при 500–600 °C — не требует последующей закалки и даёт меньшую толщину слоя. Нитроцементация (азотоуглеродное насыщение) совмещает оба процесса и позволяет сократить время обработки.
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам цементации относятся: возможность обрабатывать детали из относительно дешёвых низкоуглеродистых сталей (0,1–0,3 % C), точное регулирование толщины слоя, высокая износостойкость готовых деталей. Ограничения — длительность процесса (от 3–6 до 40–60 часов в зависимости от требуемой глубины), необходимость последующей закалки и шлифования, изменение размеров детали (прирост 0,03–0,15 мм на сторону).
Источники:
- «Технология машиностроения» — под ред. В. В. Долгова
- «Материаловедение» — И. И. Новиков
- «Химико-термическая обработка металлов» — Г. Н. Дубинин
- «Справочник конструктора-машиностроителя» — под ред. П. И. Полунина