Цементация

ЦементацияЦЕМЕНТАЦИЯ, один из видов термической обработки металлов - путем изменения химического состава поверхностного слоя изделий с целью увеличения их сопротивляемости изнашиванию. Такое общее определение охватывает не только обычные виды цементации, но также цианирование, нитрирование и пр. В результате цементации поверхностный слой изделий в большинстве случаев приобретает большую твердость, в то время как внутренние части их остаются мягкими и, следовательно, хорошо сопротивляющимися ударам. Цементация широко применяется в различных областях машиностроения (например, при изготовлении трансмиссий, шестерен, поршневых пальцев, отвалов плугов и пр.), в авто -тракторостроении и в инструментальном деле. Сущность цементации науглероживанием заключается в получении из цементационной смеси при высоких температурах окиси углерода и иногда соединений углерода с азотом, затем в образовании активных атомов углерода и наконец в диффузии последнего в решетку γ-железа.

При цементации изделия упаковываются в ящик с угольным порошком и добавками; последние обычно являются углекислыми солями натрия, бария, кальция, калия и пр. При нагреве в присутствии угля углекислые соли распадаются по следующей формуле:

ХСО3+С=ХО+2СО.

Получившаяся окись углерода разлагается на углекислоту и углерод:

2СО=СО2+С.

Образовавшиеся активные атомы углерода, находящиеся in statu nascendi, проникают в решетку γ-железа, которое, как известно, может растворять до 1,7% углерода. Науглероживание поверхности обычно происходит только до 1 % С или немного выше. При газовой или жидкой цементации активные атомы углерода могут получиться или из газа, или из жидкости непосредственно. Исследование микроструктуры цементированной, но еще не закаленной стали показывает, что в результате цементации мягкая сталь на поверхности становится очень богатой углеродом: структура ее у поверхности состоит из перлита и сетки цементита в надэвтектоидном слое.

Более детальное исследование самого края поверхности науглероженной, но еще не закаленной стали обнаруживает два весьма важных и характерных типа ее микроструктуры (вкл. л., 1 и 2).

Цементация

Цементация

Разница между ними заключается в форме выделений и в расположении избыточного цементита. В большинстве случаев цементит располагается в виде тонкой сетки вокруг крупных зерен перлита или в виде игл (вкл. л., 1). Эта структура после закалки обладает высокой и равномерной твердостью и обычно называется нормальной. Другой тип структуры - избыточный цементит - выделяется в виде массивной сетки вокруг более мелких зерен перлита и (что очень характерно для этого случая) часто окружен полями феррита (вкл. л., 2). Выделения цементита, входящего в состав перлита, здесь также крупные. Такая структура при закалке дает мягкие трооститные места, является неудовлетворительной и носит название абнормальной. В условиях заводского производства выработались практические признаки, по которым сталь испытывается на абнормальность; для этого сталь цементируют 10—13 час. при 900—930°С и измеряют размеры зерен в надэвтектоидном слое (при увеличении в 100 раз); тогда количество зерен на площади 5 см2 будет: № 1 – до 1, № 2 - 1—2,5, № 3 - 2,5—5, № 4 - 5—10, № 5 - 10—20, № 6 - 20—40, № 7 - 40—80, № 8 - 80—160 и № 9 - выше 160 зерен. Чем меньше зерно, тем выше абнормальность стали (при обязательном условии окружения массивной сетки цементита ферритными полями).

Лучшим методом испытания на твердость цементированной поверхности является способ Виккерса и Роквелла, а равно монотрон Шора или (для лабораторных работ) маятник Герберта. Испытание по Бринеллю совсем не подходит, так как продавливается твердый слой. Большое практическое значение при испытании цементированных изделий имеет измерение толщины их твердого слоя, причем различают «общую толщину твердого слоя» (фиг. 1, ОВ) и «действительную» (фиг. 1, ОА; на ординате отложена твердость по Роквеллу, на абсциссе - расстояние от поверхности в мм). Наиболее ценной частью цементированного слоя является его «действительная толщина», где наблюдается наивысшая твердость. Измерение твердого слоя цементированных изделий производится различными способами.

Большое практическое значение при испытании цементированных изделий имеет измерение толщины их твердого слоя

Стали для цементации. Правильный выбор стали для цементации имеет очень большое значение. В настоящее время цементируют как углеродистые, так и сложные стали. В табл. 1 приведены типичные примеры углеродистых сталей и указаны ориентировочные температуры цементации, рекомендованные стандартами разных стран.

Примеры углеродистых сталей и ориентировочные температуры цементации

При выборе сложных сталей для цементации следует всегда иметь в виду следующее влияние на нее специальных элементов, которые м. б. разделены на две группы: элементы, образующие карбиды (Сг, Мn), и элементы, образующие с железом твердый раствор (Ni); молибден и ванадий занимают промежуточное значение, давая и карбиды, и твердый раствор. Элементы, образующие карбиды, увеличивают твердость и сопротивление износу твердой поверхности и часто упрочняют мягкую середину. Никель, молибден и ванадий увеличивают прочность и вязкость мягкой середины. Никель, понижая критические точки в цементированной стали, позволяет закалить поверхность последней при более низкой температуре. В табл. 2 приведены сложные стали SAE для цементации и указаны ориентировочные температуры для нее.

Сложные стали SAE для цементации и ориентировочные температуры для нее

Типы цементации. В настоящее время применяются следующие четыре главных вида цементации: 1) науглероживание твердыми порошками, 2) науглероживание газами, 3) цианирование (жидкостями), при котором кроме углерода в сталь проникает и азот, и 4) нитрирование, т. е. насыщение поверхности стали азотом, причем при последнем способе окончательной закалки не требуется.

1. Цементация твердыми порошками. Такая цементация в подавляющем большинстве случаев производится порошком древесного угля твердых пород (березовым или дубовым) с примесью 15—20% углекислой соли (Na23, K23, ВаСО3 и т. д.). Для цементации изделия укладывают в ящики, засыпают этой смесью, плотно закрывают и ставят в печь. В Америке для цементации применяют нихромовые или калоризированные ящики, стойкие к высоким температурам. Несмотря на высокую стоимость в сравнении с чугунными или стальными ящиками они оказываются благодаря долгой службе более выгодными. Для цементации температуру в печи доводят до 1000—1200°С, в ящиках же температура ниже. Процесс во многих случаях длится около 8 ч. На фиг. 2 изображены кривые повышения температуры в печи и ящиках при цементации отвалов для плугов (кривая а - температура в ящике, кривая б - температура в печи; на абсциссе отложено время от начала наблюдения).

Кривые повышения температуры в печи и ящиках при цементации отвалов для плугов

В результате такого режима на поверхности отвалов образуется перлит с сеткой цементита, и толщина твердого, принимающего закалку слоя - 1—1,5 мм, середина же остается мягкой. После охлаждения с ящиками отвалы вынимают, снова нагревают и закаливают. В результате на поверхности их образуется мартенсит (вкл. л., 3); сетка цементита должна полностью раствориться, иначе поверхностный слой будет хрупким (вкл. л., 4). Частым дефектом цементированных изделий являются мягкие места на их поверхности после закалки благодаря образованию троостита; на вкл. л., 5 изображает такую дефектную структуру - троостит в мартенсите. Мягкие места в цементированных изделиях могут также быть объяснены недостаточным науглероживанием поверхности. На вкл. листе, 6 изображена микроструктура закаленной поверхности такой недоцементованной стали - тонкий слой мартенсита и феррита. В общем цементация твердыми порошками является в условиях СССР очень практичной, распространенной и недорогой операцией.

В Америке для создания однородности качества при цементации применяют конвейерные печи, в которых каждый ящик, входя с одной стороны холодным и очень медленно двигаясь там, постепенно нагревается до 900°С и выходит с другой. При цементации в обычной печи крайние ящики нагреваются быстрее, а средние медленнее, при конвейерной же - все ящики находятся в одинаковых условиях, что весьма ценно. В табл. 3 приведены важнейшие ошибки цементации, указаны их причины и даны способы к их устранению.

Ошибки цементации

Ошибки цементации

cementacija tabl3-3

2. Цементация газом. При цементации газом изделия помещаются в длинный металлический цилиндр, обычно из нихрома или калоризированного металла, стойкого при высоких температурах. Цилиндр помещается в специальную печь и нагревается в ней при медленном вращении. Через цилиндр пропускается струя очищенного светильного газа. Общий вид такой установки для газовой цементации приведен на фиг. 3.

Установка (печь) для газовой цементации

Для условий СССР в большинстве случаев выгоднее употреблять газ, полученный из нефти. Американский металлограф Гутри исследовал применение газа для цементации и дает следующие примеры «хорошего» и «плохого» газа для цементации (табл. 4).

Примеры «хорошего» и «плохого» газа для цементации

В случае «хорошего» газа науглероженный слой в 1,5 мм толщиной получился в течение 10 ч. при давлении в 1 atm и температуре 870°С, тогда как при «плохом» газе в подобных же условиях для этого потребовалось 20 ч. Газовая цементация при правильной ее постановке позволяет избежать многочисленных цементационных ящиков, массы грязной цементационной смеси, требующей тяжелой и неприятной работы, а также экономит топливо для подогрева ящиков.

3. Цианирование. За последнее время цианирование получило очень широкое распространение. При жидкой цементации сталь, предварительно достаточно подогретая, погружается в ванну из расплавленных цианистых солей. Прежде применялись простые цианистые соли Na(CN), которые обычно прибавлялись в количестве 30% в ванну из Na2CO3 и NaCl, смешанных поровну. Содержание Na(CN) должно поддерживаться во время цементации не ниже 20—25%. Обычная цианистая ванна не выдерживает нагревания до температуры 850°С и поэтому дает хотя и очень твердый, но слишком тонкий слой (0,2—0,4 мм). Поэтому цементация обычным цианистым натрием применима лишь там, где детали после нее не шлифуются и где износ поверхности не слишком велик. За последнее время появилось много цианистых солей, не разлагающихся при температуре 900—950°С, например, дурферрит и др. Все они позволяют быстро получать достаточно толстый твердый слой; благодаря этому жидкая цементация начала применяться всюду. Вследствие большой ядовитости паров цианистых солей с последними надо обращаться очень осторожно; их нельзя добавлять в расплавленную жидкую ванну во избежание взрыва; попадание в них азотистых соединений, например, селитры, также вызывает сильную реакцию.

Термообработка после науглероживания. Длительное пребывание стали при высокой температуре во время науглероживания вырывает у нее рост зерна. Особенно крупнозернистой становится науглероженная поверхность, потому что температура цементации (900°С) значительно превышает ее критическую температуру (725°С). Для уничтожения крупнозернистости применяется сложная термическая обработка. Когда требуется мелкозернистая, очень прочная и вязкая сердцевина, изделия после науглероживания охлаждают вместе с ящиками или закаливают в воде. После этого их снова нагревают в печи до температуры немного выше критической, т. е. 870°С, и закаливают. Для того чтобы получить мелкозернистую структуру на поверхности, изделия подвергают новому нагреву в печи до температуры ~775°С; эта температура на величину зерна в сердцевине влияния не оказывает. Твердая науглероженная поверхность переходит в состояние аустенита и получает мелкое зерно; последующая закалка дает на поверхности твердую структуру мелкозернистого мартенсита. После закалки твердую закаленную поверхность можно подвергнуть отпуску и еще более понизить ее хрупкость. Температура отпуска определяется твердостью, которую желательно получить.

4. Нитрирование. При нитрировании сталь нагревается в потоке аммиака при температуре 510—525°С в течение 10—90 ч. Аммиак распадается на водород и азот; активные атомы последнего проникают в железо и дают с ним различные соединения, отличающиеся большой твердостью. Впервые нитрирование в токе аммиака было применено в промышленном масштабе Адольфом Фраем на заводах фирмы Круппа в 1922 г. Исследование структуры нитрированной поверхности сталей с помощью микроскопических, термических, рентгенографических, и химических методов обнаруживает у них следующие структурные компоненты: нитриды Fe2N (нитрид I по Фраю), Fe4N (нитрид II по Фраю), Fe6N и эвтектику-браунит (название дано в честь одного на первых исследователей нитридов железа - Брауна). Нитриды образуют твердую хрупкую корку; на внешней поверхности они светлого цвета и плохо окрашиваются при травлении (вкл. л., 7). Браунит является эвтектикой нитрида Fe4N и железа, он содержит 1,5% азота. Вид его напоминает перлит (вкл. л., 8). Из всех указанных выше компонентов он является практически самым ценным, т. к. обладает наибольшей твердостью и наименьшей хрупкостью. Браунит располагается под слоем нитрида Fe4N (если слой нитридов присутствует). В сравнении с обычной цементацией науглероживанием нитрирование имеет много преимуществ: температура нитрирования гораздо ниже температуры обычной цементации, отсутствует закалка, - следовательно можно полностью избежать коробления, трещин изделий. Сергерсон (Sergerson) произвел параллельное испытание нитрированной и цементированной обычным способом сталей. Хромованадиевая S. А. Е. 6115 цементовалась в течение 8 часов при температуре 920°С, затем подвергалась двойной закалке в воде и отпуску при 150°С. Одновременно была взята хромо-алюмино-молибденовая сталь и подвергнута нитрированию в течение 90 часов при температуре 525°С. Твердая поверхность обеих сталей испытывалась на приборе Виккерса, причем твердый слой постепенно сошлифовывался наждачным кругом, и твердость определялась на разном расстоянии от поверхности. Результаты испытания изображены на диаграмме фиг. 4 (где на абсциссе отложена глубина цементации в мм, а на ординате - твердость по Виккерсу—Бринеллю).

Зависимость тведости по Виккерсу—Бринеллю от расстояния цементированного слоя от поверхности испытуемого образца

Практические испытания показали, что более твердый нитрированный слой сопротивляется истиранию в 5—7 раз лучше, нежели цементированный. При этом нитрированные изделия практически не изменяют своих размеров и формы, почему в противоположность цементированным они не требуют окончательной шлифовки. Твердость нитрированного слоя не изменяется при нагревах до температуры 500°С, тогда как цементированные изделия при отпуске теряют значительную часть своей твердости. Кроме того, нитрированные изделия подобно нержавеющей стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии на воздухе и в пресной и соленой воде. Препятствиями к широкому распространению нитрирования являются продолжительность процесса - от 10 до 90 ч. - и необходимость работать с дорогими сложными сталями - углеродистые стали непригодны для нитрирования, поверхность у них получается недостаточно твердой и очень хрупкой. Перед нитрированием сталь д. б. подвергнута закалке и отпуску при 540°С для получения тонкой сорбитной структуры.

В настоящее время в Америке наблюдается широкий интерес со стороны заводов к процессу нитрирования. Почти все фирмы, строящие печи, начали выпускать и оборудование для нитрирования. Например, фирма Leeds & Northrup Со. выпустила печь для нитрирования (по типу известной печи для отпуска - «Homo») с принудительной сильной циркуляцией аммиака и герметичными затворами камеры для нитрирования. Появились печи для непрерывного нитрирования, где изделия движутся внутри печи по конвейеру. Эти печи, например, типа Surface Combustion Со., работая дуплекс-процессом, сокращают время нитрирования до 16 ч. и позволяют экономить на аммиаке. В обыкновенных печах диссоциация аммиака не д. б. выше 30—40%, иначе получаются плохие результаты, тогда как конвейерные печи позволяют доводить эту диссоциацию до 90%.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 25 - 1934 г.