17

Цементация

Цементацией называется химико-термическая обработка (ХТО), заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве( чаще всего 900-950 град С) в углеродсодержащей среде (карбюризаторе)

Окончательные свойства цементованная деталь приобретает после закалки и низкого отпуска

Назначение цементации - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел выносливости при изгибе и кручении, повысить контактную выносливость при сохранении вязкой сердцевины.

Основные детали подвергаемые цементации - валы, зубчатые колеса, шпиндели, кулачки и др.

Виды цементации:

• в твердом карбюризаторе

• в газовой среде

• в расплавленных солях

Физико- химический механизм переноса углерода при цементации

Для решения технологических задач необходимо знать ответы на следующие вопросы:

1. В каком направлении при заданных условиях идет реакция в которой участвует углерод

2. До какой концентрации возможно насыщение поверхности углеродом в атмосфере данного состава..

3. С какой скоростью идет реакция насыщения углеродом

Для ответа на эти вопросы необходим анализ термодинамики и кинетики основных реакций с углеродом ,протекающих при цементации.

Основной источник углерода при цементации - окись углерода СО, которая образуется в среде карбюризатора:

2СО  СО2 + С ( 1 )

Константа равновесия этой реакции, которая называется реакцией Будуара

Здесь Рсо2, Рсо – парциальные давления двуокиси и окиси углерода в среде карбюризатора соответственно,

ас - активность углерода, которая в среде карбюризатора равна единице, так как углерод присутствует в твердой фазе ( при твердотельной карбюризации)

Константа равновесия К зависит от температуры. Соответственно, соотношение между СО и СО2 так же зависит от температуры, как показано на рис 1. Из этого рисунка видно, что с повышением температуры возрастает доля СО в атмосфере карбюризатора

Рис 1 Влияние температуры на соотношение СО2 и СО в реакции ( 1 )

При взаимодействии СО с поверхностью железа происходит реакция :

Fe + 2CO  Fe ( c) + CO2 ( 2 )

Здесь Fe ( c) - -аустенит

Константа равновесия этой реакции :

В этом случае активность углерода ас не равна 1 так как углерод находится в разбавленном растворе – аустените и ее можно выразить через соотношение СО и СО2 в карбюризирующей атмосфере :

ас = К*Р со/ Рсо2

Отношение Р со / Рсо2 определяет (при данной температуре ) насыщающую способность карбюризирующей атмосферы и называется углеродным потенциалом:

πс = Р со / Рсо2

Значение πс определяет до какой концентрации углерода может быть насыщена поверхность детали в данной атмосфере. То-есть, если говорится, что потенциал атмосферы равен 0,8% С, это значит, что в этой атмосфере возможно довести концентрацию углерода только до 0,8% углерода. Если в эту атмосферу поместить сталь, содержащую 1,0% С, то будет происходить обезуглероживание поверхности

Важным является вопрос, - какова активность углерода в аустените?

Исследования показали, что эта активность зависит от температуры, концентрации углерода и легирующих элементов

Рис 2 Зависимость активности углерода ас в аустените от концентрации углерода ( поданным разных авторов)

Рис 3 Влияние легирующих элементов на содержание и активность углерода в аустените при Т= const ( схема )

а при постоянной активности, б- при постоянном содержании углерода

1- чистая система Fe – C, 2 – некарбидообразующие элементы (Ni,Co, Si, B …), 3- карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W, Ti, V, …)

Из Рис 3а видно, что при постоянной активности углерода карбидообразующие элементы увеличивают содержание углерода в стали при цементации, а при постоянном содержании углерода (Рис 3б) - уменьшают активность углерода. Некарбидообразующие элементы действуют в обратном направлении