Саратовский государственный технический университет
Исследование структуры и свойств стали после цементации и термической обработки
Методические указания к учебно-исследовательской
лабораторной работе для студентов всех специальностей
Дневной, вечерней и заочной форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Саратов 2009
Цель работы: изучить особенности структуры и свойств цементованного слоя на углеродистых и легированных сталях.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.
Цементация (науглероживание)- это диффузионное насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в углеродосодержащей среде [1].
Цель цементации- получить высокую поверхностную твердость и износостойкость стальных деталей. При этом сердцевина остается достаточно вязкой, что обеспечивает повышенное сопротивление изделия ударным и знакопеременным нагрузкам.
Цементации подвергают детали (втулки, шестерни, кулачки, валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса и т.д.), изготовленные из конструкционных углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода 0,12-0,25%. Например, стали марок 15, 20, 15Х, 15ХФ, 18ХГТ, 20ХНМ и др.
Цементация может производиться в твердых и газообразных углеродосодержащих средах. Среда, поставляющая углерод к поверхности цементируемых деталей, называется карбюризатором.
Цементация в твердом карбюризаторе
Сущность метода заключается в следующем. Почти готовые изделия с припуском на шлифование 0,05-0,1 мм, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором: древесный уголь с добавками углекислых солей (BaCO3, NaCO3) в количестве 10-40%. Ящики закрывают крышками и щели замазывают огнеупорной глиной. Подготовленные ящики устанавливают в нагретую печь и выдерживают при температуре 930-950°С. При этой температуре за счет кислорода воздуха происходит неполное горение угля:
Образующаяся окись углерода в присутствии железа неустойчива и разлагается по реакции:
Атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла. Углекислые соли в карбюризаторе активизируют процесс, пополняя количество атомарного углерода:
Глубина цементованного слоя составляет обычно 0,5-2мм, на что требуется весьма много времени (при температуре 900-920°С 1час на каждые 0,1-0,12мм толщины слоя). Цементация в твердом карбюризаторе малопроизводительный процесс. Он находит применение в мелкосерийном и индивидуальном способе производства.
Газовая цементация
Сущность газовой цементации заключается в том, что процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. На практике используют обычно газовые смеси, состоящие из эндотермического газа (20% CO, 40% H2, 40% N2) и природного газа (СН4). Атомарный углерод получается при диссоциации метана или окиси углерода:
Образующийся атомарный углерод поглощается поверхностью стали и проникает в глубину детали. Для получения диффузионного слоя толщиной 0,9-1,0мм при газовой цементации требуется 5-7 часов. Газовая цементация осуществляется в условиях высокой механизации и автоматизации процесса и является основным способом при массовом производстве деталей.
Концентрация углерода в поверхностном слое стали при цементации доводится до 0,8-1,5%. Заданную концентрацию углерода получают путем автоматического регулирования газа науглероживающей среды.
Цементацию проводят при высоких температурах 800-1000°С (выше Ас3). При таких температурах сталь находится в аустенитном состоянии, что обеспечивает значительную растворимость углерода. Повышение температуры цементации ускоряет диффузию углерода и увеличивает глубину цементованного слоя.
На рис.1 показаны кривые, характеризующие изменение глубины цементованного слоя в зависимости от температуры и продолжительности процесса (1-980°С; 2-940°С; 3-900°С; 4-840°С).
Как видно из графика, скорость процесса вначале наибольшая, затем постепенно уменьшается, но сильно возрастает с повышением температуры. Чтобы содержание углерода не было чрезмерно высоким (так как возрастает хрупкость слоя), а также для ограничения роста зерна аустенита, цементацию обычно проводят при 900-930°С.
Структура цементованного слоя
В цементованной детали содержание углерода уменьшается от поверхности к центру. В соответствии с этим распределяются и структурные составляющие. Структура цементованного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации и изменение концентрации углерода в поверхностном слое показаны на рис.2 а, б.
|
В цементованном слое можно выделить три зоны:
1. Заэвтектоидная (поверхностная) зона, содержащая углерода более 0,9%, имеет структуру перлит и цементит.
2. Эвтектоидная зона с содержанием углерода около 0,8% имеет структуру перлита.
3. Доэвтектоидная зона (переходная), содержащая углерода менее 0,8%, имеет структуру феррит и перлит. Структура этой зоны плавно переходит в исходную структуру сердцевины (IV).
За глубину цементованного слоя y0 принимается сумма толщины заэвтектоидной, эвтектоидной, и половины переходной (доэвтектоидной) зоны.