ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦЕМЕНТАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ

Лабораторная работа

Цель работы:Ознакомиться с теорией процесса диффузионного насыщения поверхностного слоя углеродом (цементацией); провести процесс цементации, исследовать микроструктуру диффузионных слоев, провести термическую обработку, измерить твёрдость после термической обработки.

Порядок выполнения работы:

1. Изучить теорию процесса диффузионного насыщения

поверхностного слоя углеродом;

2. Провести процесс цементации;

3. Изучить микроструктуру диффузионных слоев;

4. Провести термическую обработку;

5.Провести дюрометрические исследования после термической обработки.

Содержание отчёта:

1. Краткие сведения из теории;

2. Описать порядок проведения процесса цементации;

3. Описать микроструктуру;

4. Порядок проведения термической обработки;

5. Экспериментальные результаты занести в таблицу.

Сведения из теории:

Цементацией называют процесс диффузионного насыщеНИJI поверхностного слоя деталей углеродом.

Цель цементации - получение на поверхности деташ: высокой твердости и износостойкости в сочетании с вязко;:: сердцевиной, что достигается обогащением поверхностного С.lОЯ углеродом до концентрации 0,8 -),0 % и последующей закалкой :: низким отпуском.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,18 % углерода. Для крупногабаритны~ деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщенная углеродом при цементации. сохраняла высокую вязкость после закалки.

На цементацию поступают механически обработанные детали с припуском на шлифование 0,05-0,10 мм. В случае необходимости упрочнения только части детали, участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,020,04мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными защитными обмазками, состоящими Иl смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле или другом связующем. Иногда применяют сплошную цементацию с последующим удалением части цементованного слоя механической обработкой, проводимой до закалки.

Цементация в твердой среде и цементация в газовой среде это основные два вида цементации. Среда, поставляющая углероl' к поверхности детали, подвергаемой цементации, называется КАРБЮРИЗА ТОРОМ.

Цементация в твердом карбюризаторе про изводится п специальных стальных ящиках, в которых детали укладываются попеременно с карбюризатором. Ящики закрываются крышками н замазываются огнеупорной глиной для предотвращения утечки газов (рис.l.). В качестве твердого карбюризатора используют дубовый или березовый древесный уголь и активизаторы ВаСО_з и Nа2СОЗ или СаСО_з.

Диффузия углерода в сталь возможна только, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержаш.их углерод (СО, C~ и др.). При

РИС.1. Схема упаковки деталей в специальном ящике для цементации: 1- деталь; 2 - стальной ящик; 3 - цементующая смесь; 4 - крышка; 5 - контрольные образцы (свидетели).

цементации в твердом карбюризаторе активные атомы образуются в результате прохождения реакций:

2C+02~2CO,

ВаСО_з + С ~ ВаО + 2 СО, 2CO~C02+C

Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла. Энергия активации диффузии углерода в'У - железе достигает 17-20 ккал/(ч- атом), а в а - железе 31-32 ккал/(ч-атом). Однако, цементацию при температурах ниже точки А] не ведут вследствие малой растворимости углерода в а железе. Цементацию, как правило, про водят при температурах выше точки Ас3, обычно около 920-950⁰С, когда аустенит, растворяющий в больших количествах углерод, устойчив. При цементации стали атомы углерода диффундируют в решетку 'у железа. По достижении, предела насыщения аустенита углеродом, определяемого линией SE на диаграмме Fe - FезС (рис. 2, а), на поверхности может образоваться сплошной слой цементита.

В реальных условиях цементации образование на поверхности слоя цементита наблюдается крайне редко. Обычно при температуре цементации (выше точки Асз) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения - из продуктов его распада - феррита и цементита. После цементации характерно неравномерное распределение углерода по сечению детали. Наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидной стали - перлит и вторичный цементит, (рис. 2, б). Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой с феррито-перлитной структурой (рис.3.).

За техническую глубину цементированного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зоны (рис. 2).

В процессе цементации в твердом карбюризаторе при температуре 910-930°С за 5,5 - 6,5 часа образуется слой толщиной 0,7-0,9 мм, а за 9-11 часов - 1,2-1,5 мм на углеродистой стали 20.

Предельное содержание углерода на поверхности,

определяемое' линией SE, тем больше, чем выше температура насыщения. С повышением температуры увеличивается толщина слоя за данный отрезок времени.

Рис. 2. Изменение содержания углерода и твердости (после закалки) по глубине цементованного слоя

Рис. 3. Микроструктура диффузионного слоя после цементации низкоуглеродистой стали 20 х 150: 1 - заэвтектоидная зона; 2 - эвтектоидная зона; 3 - доэвтектоидная зона;

Легирующие элементы неодинаково влияют на коэффициент диффузии и концентрацию углерода в поверхностном слое. Поэтому влияние их на глубину диффузионного слоя зависит от того, какой из этих двух факторов будет превалировать

Хром и вольфрам уменьшают коэффициент диффузии углерода в аустените, т.к. повышают энергию активации, но, увеличивая концентрацию углерода на поверхности, несколько повышают толщину цементированного слоя. Никель, наоборот, увеличивает коэффициент диффузии, но уменьшает концентрацию углерода на поверхности и поэтому уменьшает толщину слоя.

После цементации обязательно проводят термообработку. При цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость, и это необходимо учитывать при назначении термической обработки. Целью термообработки является упрочнение поверхности с одновременным измельчением зерна и получением вязкой сердцевины.

В зависимости от назначения детали при меняют различные варианты термической обработки (рис. 4).

Менее ответственные детали подвергают закалке

непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. 4, а). Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает крупноигольчатый мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито-перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в некоторой степени устраняются при использовании наследственно мелкозернистой стали, при сокращении времени пребывания стали при высокой температуре за счет применения, например, газовой цементации. Использование подстуживания при закалке до 750 - 800⁰С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементированном слое.

При более высоких требованиях к структуре детали после цементации подвергают охлаждению на воздухе, закалке с нагрева выше Асз и низкому отпуску (рис. 4, б). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, приводящий к повышению остаточного аустенита и снижению твердости поверхности, т.к. оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев выше Acl, но ниже А_ст,

Особо ответственные детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 4, в). При первой закалке с температуры на 30-50⁰С выше Асз происходит пере кристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в поверхностном слое растворяется.

При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после первой закалки, претерпевает отпуск, и при этом образуются

глобулярные карбиды, увеличивающие твердость поверхностного заэвтектоидного слоя. При второй закалке, с температуры выше Ас! на 30-500 С обеспечивает мелкое зерно в поверхностном слое. После такой термообработки поверхностный заэвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет ферритоперлитную структуру.

Рис. 4. Режимы термической обработки после цементации стали