9.2. Цементация стали

Цементацией называется технологический процесс диффузионного насыщения поверхности стали углеродом. Цементации обычно подвергают такие детали машин, которые должны иметь высокую износостойкость рабочих поверхностей и вязкую сердцевину, например, валы, оси, зубчатые колёса, детали кулачковых механизмов и др. Цементации обычно подвергают детали, изготовленные из низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,2%. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску. Толщина цементованного слоя составляет обычно 1…1,5 мм, а концентрация углерода в нём повышается до 0,8…1%.

Исходная среда, в которой происходит процесс цементации (науглероживания), называют карбюризатором. В качестве карбюризатора могут быть использованы различные твёрдые и газообразные среды. Наиболее часто используют цементацию в твёрдом карбюризаторе, состоящем из древесного угля (лучше всего берёзового) с добавкой 20…25% углекислого бария ВаСО3 и 3…5% известняка СаСО3.

Технология цементации заключается в следующем.

Детали, подлежащие цементации, укладывают в металлические ящики, пересыпают карбюризатором. Ящики закрывают крышками, которые для большей герметичности обмазывают огнеупорной глиной. Для контроля за ходом цементации в крышку устанавливается свидетель, изготовленный из той же стали, что и цементуемые детали. Как правило, это стальной стержень диаметром 15…25 мм.

Цементация протекает при температуре 920…930оC. При этих температурах сталь переходит в состояние аустенита, способного растворить до 2,0% углерода. В производственных условиях глубину слоя 0,4…0,7 мм можно получить за 4…5 ч., 1,0…1,4 мм за 8…12 ч.

В процессе нагрева в цементационном ящике протекают следующие процессы.

Уголь карбюризатора взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции:

2С + О2 = 2СО.

Кроме того, оксид углерода СО образуется в результате реакции углекислых солей с древесным углём:

BaCO3 + C = BaO + 2CO.

Оксид углерода СО при соприкосновении с поверхностью стальной детали распадается с образованием атомарного углерода:

2CO = CO2 + Cат.

Углерод адсорбируется поверхностью металла и затем диффундирует вглубь, насыщая её вплоть до образования цементита Fe3C. Выделившийся при этом углекислый газ СО2 взаимодействует с углём, образуя новые порции СО:

CO2 + C = 2CO.

Углекислые соли, содержащиеся в карбюризаторе, активизируют науглероживание стали. Углекислый барий, например, при высоких температурах распадается по реакции

ВаСО3 = ВаО + СО2

и является поставщиком углекислого газа. Последний, в свою очередь, вступает во взаимодействие с древесным углём и возобновляет запасы окиси углерода:

2CО2 + С = 2СО.

Цементация в газовой среде применяется в крупносерийном и массовом производстве. В качестве карбюризатора используют природные или искусственные газы, например, метан, пропан, окись углерода, или же жидкие углеводороды (керосин, бензол и др.).

Процесс газовой цементации производится в специальных герметически закрытых печах, имеющих устройства для подачи газа и его перемешивания. Жидкие карбюризаторы подают в печь с помощью специальной капельницы. Химически активный углерод образуется в результате разложения (диссоциации) цементирующего газа в рабочем пространстве печи при температуре 920…1050оС. При наличии метана, например, основной ведущей реакцией является:

СН4 = 2Н2 + С.

Применение газовой цементации позволяет на 40…50% сократить продолжительность процесса, так как отпадает необходимость в нагреве цементационных ящиков; можно более оперативно контролировать процесс цементации, а так же полностью его механизировать и автоматизировать.

Скорость газовой цементации зависит от температуры процесса, вида карбюризатора и его расхода. Изменяя количество и состав газов, а так же продолжительность процесса цементации, можно регулировать и толщину цементованного слоя и содержание углерода в нём.

Цементованные детали подвергают шлифованию.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008