Цементация

Цементацией называется процесс насыщения поверхност­ного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Цель цементации — получение высокой твердости поверхностного слоя деталей при со­хранении вязкой и мягкой сердцевины, а также повышение износо­стойкости и предела усталости. Насыщенный углеродом поверхностный слой называется цементированным.

Цементации подвергают детали из углеродистой (иногда и легиро­ванной) стали, содержащей углерода от 0,01 до 0,25%.

Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, называются карбюризаторами. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. От вида применяемого карбюризатора цементация разделяется на твердую, жидкую и газообразную.

Твердая цементация (в твердом карбюризаторе) яв­ляется наиболее старым процессом химико-термической обработки. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоя­щую (по массе) из древесного угля (70%), углекислого бария (20-25%) и углекислого кальция (3-5%). Добавление к древесному углю угле­кислых солей ускоряет процесс цементации.

Процесс цементации заключается в следующем: поступившую после механической обработки деталь (с припуском на последующую обра­ботку) перед цементацией тщательно очищают от окалины, грязи, ржавчины, масла и просушивают. Поверхности, не подлежащие це­ментации, покрывают огнеупорной глиной в смеси с 5-10% асбесто­вого порошка или же слоем меди в гальванических ваннах.

Если нельзя предохранить поверхность указанными выше спо­собами, цементируют всю деталь, а затем дополнительно закаливают те места, которые должны об­ладать высокой твердостью или износоустойчивостью.

Обрабатываемые детали укладывают в специальный ящик (рис. 25), изготовленный из жаростойкой стали, в сле­дующем порядке: на дно ящи­ка 1 насыпают слой порошко­образного карбюризатора 6 толщиной 25-30 мм и плот­но утрамбовывают. На карбю­ризатор укладываются детали 5 на расстоянии 15-30 мм друг от друга, а затем снова насыпают карбюризатор сло­ем толщиной 15-20 мм ут­рамбовывают; после этого укладывают второй ряд деталей и т. д.

Цементация изделий

Цементация изделий

Одновременно с укладкой обрабатываемых деталей в ящик помещают контрольные прутки 3 диаметром 6-10 мм и длиной 250 мм из такого же материала, как и материал детали. Эти прутки называются «свиде­телями». В дальнейшем по излому прутков определяют глубину науглероженного слоя.

Толщина верхнего слоя карбюризатора 30-40 мм. Ящик плотно закрывают металлической крышкой 2, места между крышкой и стен­ками ящика промазывают огнеупорной глиной 4 ставят в холодную печь и постепенно нагревают до температуры 850-920°С.; более высокая температура может вызвать чрезмерное науглероживание по­верхности, низкая температура замедляет процесс.

Цементация при температуре выше 950°С, но не более 1000° допускается только для легированных сталей. Длительность выдержки и температура зависят от требуемой глубины науглероживаемого слоя, например цементация стали при температуре 900°С в течение 5 ч дает науглероженный слой глубиной 0,4-0,5 мм, а в течение 10 ч — 1,0- 1,3 мм.

По окончании цементации ящики выгружают из печей, охлаждение деталей производится медленно, вместе с ящиками. После цементации детали подвергают обязательной термической обработке: закалке в воде при температуре 760-780°С и низкому отпуску при температуре 160-180°С.

Ответственные детали после цементации охлаждают на воздухе, а затем закаливают при температуре 850-900°С и подвергают низкому отпуску (150-170° С).

Одним из существенных недостатков цементации в твердом кар­бюризаторе является значительная трудоемкость, загрязнение воздуха, невысокая производительность, большая длительность процесса. Для сокращения продолжительности цементации в качестве карбюриза­тора применяют пасты, имеющие различный состав, например, кокса 50%, углекислого натрия или калия 40%, щавелевокислого натрия или калия 10% и др. Разведенную пасту наносят на детали и «свидете­ли» окунанием или кистью до получения слоя покрытия толщиной 2-3 мм, а затем высушивают при температуре 100-120°, после чего детали и «свидетели» укладывают в ящики.

Жидкостная цементация осуществляется путем по­гружения деталей в соляные ванны при температуре 830-850°С. Карбюризатором при этом являются расплавленные соли, содержащие 75-80% углекислого натрия (сода), 10-15% поваренной соли и 6- 10% карбида кремния. Цементация происходит за счет атомарного углерода, выделяющегося в ванне при 820-850°С от взаимодействия солей с карбидом кремния. Длительность процесса составляет 0,5- 2 ч. За 40-50 мин процесса глубина цементированного слоя не пре­вышает 0,2 мм.

Цементации подвергают мелкие детали, глубина цементированного слоя не должна превышать 0,5-0,6 мм.

Преимуществом цементации в соляных ваннах является равномер­ность нагрева и возможность непосредственной закалки после выем­ки из цементационной ванны. Процесс проходит быстрее, чем при це­ментации в твердой среде.

Газовая цементация заключается в насыщении по­верхности стальные деталей углеродом в атмосфере углеродсодержащих газов. Газовую цементацию (в окиси углерода) впервые применил П. П. Аносов в 1837 г.

Газовую цементацию стальных деталей осуществляют в гермети­чески закрытых камерах (муфелях) печей периодического или непре­рывного действия путем нагрева при температуре 930-950°С в сре­де углеродсодержащих газов, например естественных, состоящих в основном из метана СН4 и окиси углерода СО. Используют также жид­кие карбюризаторы: бензол, пиробензол, осветительный керосин, синтин (продукт синтеза окиси углерода) и сжиженный природный газ.

Продолжительность процесса устанавливается в зависимости от требуемой глубины цементируемого слоя. Нагрев в газовом карбюри­заторе и процесс насыщения поверхностного слоя являются более прогрессивными и экономичными по сравнению с твердой цементацией.