HomeОбработка сталиХимико-термическая › Цементирование углеродом стали

Цементирование углеродом стали

Цементирование углеродом сталиПрименению издавна и широкому распространению способа цементирования железа углеродом способствовали, с одной стороны, легкость осуществления этой операции, с другой стороны, — те существенные результаты, которые при ней получаются.

 

В самом деле, для получения диффузии углерода в железо достаточно продержать последнее в течение некоторого времени (1-2 часа) в какой-либо содержащей углерод среде при повышенной температуре (800-900°) и доступе воздуха, чтобы были явные признаки изменения металла с поверхности вследствие науглероживания.

 

Это изменение должно выразиться в известном нам различии свойств между твердой и мягкой сталями; например, твердость порядка 100 Нв, отвечающая железу (мягкой стали), повысится у поверхности до 200 Нд и более, если содержание углерода дойдет до эвтек-тоидного (0,8-0,9%) и выше.

 

После закалки разница в твердости будет еще существеннее, так как науглероженная поверхность даст твердость порядка 600-650 Нв (60-65 Rc), в то время как нена-углероженная сердцевина изделия останется мало измененной по твердости. Подобная же разница может получаться в прочих свойствах.

 

Согласно указанному общему положению, углерод может диффундировать относительно быстро в железо лишь тогда, когда выделяется в атомарном состоянии при разложении газообразных соединений СО, CmHn (углеводородов), CN (циана) и т. п. Если же взять один твердый уголь (без газообразных соединений), то он практически очень медленно диффундирует в железо.

Схема течения процесса при этом может быть изображена следующим образом:

2СО = С + С02 (или СтНп = тС + пП или CN = С + N); (1)

С -\\~ Fe = (FeT — С) — твердый раствор (аустенит); (2)

С -f- 3 Fe = Fe3C (цементит) (3)

 

Из этого следует, что при диффузии (цементировании) может получиться как твердый раствор (2), так и химическое соединение (3).

Существуют разные схемы течения процесса цементирования железа углеродом. Присутствие газовой среды является необходимым фактором, ускоряющим диффузию углерода, поэтому в практике при цементировании железных изделий применяют в качестве обуглероживающего материала (цементатора, называемого также карбюризатором) не один твердый уголь, а смесь его с веществами, легко выделяющими газ, содержащий углерод.

 

Такими веществами являются углекислые соли Na2C03, К2С03, ВаС03 и др., которые при нагревании легко распадаются с выделением С02. Последний, немедленно реагируя при высокой температуре с углеродом твердого угля, дает СО, который, в свою очередь, при соприкосновении с железом (с поверхности и отчасти проникая и внутрь) отлагает углерод, диффундирующий в железо.

 

Итак, если исходить из карбюризатора, представляющего смесь твердого угля с карбонатом (например, К2С03), то к процессу цементирования, согласно приведенной схеме, следует прибавить еще две реакции:

Цементирование посредством смеси угля с карбонатом является наиболее дешевым и употребительным в практике. Но в качестве цементаторов применяются самые разнообразные вещества как в твердом, так в жидком и газообразном состоянии.

 

Получение тех или иных результатов операции в значительной степени зависит от качества примененного цементатора: одни цемен-таторы считаются резкими, сильно действующими (например, расплавленные цианистые соли), другие — слабыми, постепенными (твердый уголь с небольшой примесью карбоната, чистая окись углерода и пр.).

 

Проверка достигнутых результатов может быть произведена наблюдением микроструктуры поперечного сечения цементированного образца. Переходя постепенно от центра к периферии, мы должны наблюдать под микроскопом непрерывное изменение структуры от мягкой стали (железа) с преобладанием феррита к твердой, вплоть до эвтектоидного состава с одним перлитом или даже до заэвтектоидного с сеткой избыточного цементита.

 

Глубина цементации — наиболее важная характеристика произведенного процесса. Как сказано выше, эта величина определяется по излому, по микроструктуре, или путем химического анализа стружки, постепенно снимаемой с поверхности изделия.

Однако все эти методы применимы лишь постольку, поскольку допускают разрушение самого изделия; там же, где нужно убедиться в успешности произведенной химико-термической обработки на целом

К2С03 = С02 + К20; С02 -I-С =2 СО.

изделии, чаще всего прибегают к методу твердости (по Роквеллу, Шору и др.)- Зная, какова должна быть твердость стали при любом содержании углерода как в равновесном (отожженном), так и в закаленном состояниях, можно уже до некоторой степени заключить, достигнуто ли с поверхности изделия желательное содержание

углерода.

 

Для характеристики произведенного процесса цементирования, кроме глубины цементирования, нужно знать и степень науглероживания, т. е. какой концентрации углерода металл достигает у поверхности. В связи с этим можно установить и резкость цементирования, т. е. большую или меньшую постепенность изменения концентрации углерода по мере продвижения от поверхности к сердцевине, что можно обнаружить лучше всего по микроструктуре.

 

Практика выполнения цементирования твердыми карбюризаторами. Осуществление процесса цементирования в практике производится различными способами. В зависимости от природы используемого карбюризатора различают три вида цементирования: твердыми, газообразными и жидкими карбюризаторами.

 

Цементирование твердыми карбюризаторами осуществляется посредством размельченных в порошок 1 смесей, заключающих в себе главным образом уголь. Уголь этот должен быть по возможности чистым, бессернистым и плотным, для чего наиболее пригодным считается древесный — березовый. Раньше для цементирования рекомендовалось брать уголь, получаемый из животных остатков: кожи, рогов, копыт и т. п.

 

Однако это преимущество животного угля по сравнению с древесным несущественно, почему наиболее распространенным и дешевым твердым карбюризатором является все же уголь в смеси с карбонатами, особенно ВаС03, (до 40% по весу). Для этого цементатора на фиг. 174 приведены кривые, показывающие глубину цементированного слоя в нем в связи с температурой и временем выдержки.

 

Практически осуществить процесс при указанном цементаторе несложно: изделия засыпают слоем заранее заготовленной порошкообразной смеси 1 в специальных цементационных горшках или ящиках. Количество цементационной смеси должно быть в известном соответствии с поверхностью цементируемого изделия, так как цементатор быстро истощается, если его мало.

 

Ящики выдерживаются в печи положенное время при соответствующей температуре сообразно с требуемыми результатами (что большей частью устанавливается предварительно опытом) и затем изделия охлаждаются и подвергаются дальнейшей термической обработке. Последняя является необходимой после цементирования, так как по условиям самого процесса цементирования в металле обычно получается перегрев (крупное зерно), который необходимо уничтожить, если от изделия в дальнейшем требуется известная прочность.

 

Обычно изделие после цементирования должно быть приведено в закаленное состояние (с низким отпуском), чтобы получить наибольшую поверхностную твердость. При этом не рекомендуется производить закалку прямо из цементационного ящика ввиду отмеченного явления перегрева. Обычно сначала стремятся размельчить зерно внутренней, малоуглеродистой сердцевины путем закалки (или нормализации) от температуры нагрева немного выше точки Ас3, а затем уже, после вторичного нагрева, производят самую закалку.

 

Так как вторая закалка касается главным образом поверхностного, высокоуглеродистого слоя металла, то температура нагрева для закалки берется теперь уже ниже, чем раньше, в соответствии с теми температурами, какие применяются в высокоуглеродистых (эвтектоидной и заэвтектоидной) сталях при нормальной закалке (750-800°). Очевидно, что при таких нагревах в сердцевине не получится полной закалки, чего, впрочем, и не требуется, так как сердцевина цементированных изделий должна представлять более мягкую, незакаленную сталь, обладающую, тем не менее, достаточно высокой прочностью.

 

После закалки цементированные изделия обычно подвергаются низкому отпуску. Результаты цементации обусловливаются не только указанными факторами, относящимися к самому процессу, но и качеством самого цементируемого металла. Замечено, что присутствие в железе таких примесей, как Сг, W, Мо и V ускоряет процесс цементирования.Si и А1, наоборот, замедляют, а Мп и Ni ведут себя_в этом отношении неопределенно.

 

Из примесей, особенно неблагоприятных для цементирования, нужно отметить Р, S и 02. Поэтому необходимым условием для успешности цементирования является возможная чистота металла от указанных примесей.Цементирование твердыми карбюризаторами представляет довольно затяжную операцию, требующую значительной затраты времени на укладку изделий в ящики и засыпку их порошком. Работа с угольным порошком является также негигиеничной.

 

Большим недостатком указанного способа является его продолжительность, достигающая иногда 30 час. и более, что обусловливается необходимостью прогревать вместе о предметами и цементационную смесь. Наконец, при этом способе трудно следить за процессом и доводить цементированный слой до надлежащей степени и глубины науглероживания.

 

Хотя для проверки процесса в ящик помещают специальные контрольные образцы (так называемые свидетели), но они также не всегда служат надежным показателем качества выполненной обработки. При недосмотре может получиться слишком науглероженная поверхность изделия с хрупкой цемен-титной сеткой, вызывающей иногда трещины и отслаивание сильно цементированной корки от основного металла.

 

Указанные недочеты в значительной степени ослаблены или совсем уничтожены в новых способах цементирования газообразными и жидкими цементаторами.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.