Катедра : ‘’ материалознание и технология на материалите ‘’

Навъглеродяване

• 
  Теоретични сведения:
  

А




ктивационната енергия за дифузия на въглерода в -желязо е 17-20 ccal/mol, а в -желязо - 31432 ccal/mol, т.е. дифузията на въгле­рода във ферита протича по-облекчено, отколкото в аустенита. Въпре­ки това цементацията се провежда при температури над А, тъй като възможностите на аустенита да разтваря въглерод са доста по-големи от тези на ферита (фиг.17.1). Дифузията на въглерода в аустенита е въз­можна, ако той се намира в атомно състояние. Атомарният (насценден) въглерод се получава чрез дисоциация или други химични реакции, протичащи във въглеродосъдържащи газове или газови смеси при ви­соки температури. Атомарният въглерод адсорбира върху металната повърхност и дифундира в решетката на -желязото. След достигане на максималната разтворимост на въглерода в аустенита при температурата на цементация на повърхността на детайлите се получава цементитен слой. Обикновено при навъглеродяването не се достигат повърхностни концентрации, съответстващи на пресищане на аустенита с въглерод и получаването на плътен цементитен слой е рядко явление

Фиг. 17.1. Разпределение на структурата след бавно охлаждане и твърдост след закаляване в дълбочина на цементования слой.

Съгласно законите на дифузията, зависимостта между дебелината на слоя и продължителността на насищане има параболичен характер, а между дебелината и температурата на цементация - експоненциален. Върху кинетиката на формиране на цементованите слоеве влияят още съставът и структурата на стоманите, скоростите на нагряване, редица други външни допълнителни въздействия - ултразвукови, радиацион­ни, електрически и магнитни полета и др., както и съставът и хомоген­ността на насищащите среди. Установено е ускоряване на процеса при газове, съдържащи метилови радикали, свързани с двойна връзка с въ­глерода. По-активни са газови среди, богати на ароматни съединения; полезно е добавянето на вода в карбуризатора .

Основен фактор при навъглеродя­ването е термодинамичната активност на въглерода в аустенита - нормално некарбидообразуващите легиращи елемен­ти я повишават, а карбидообразуващите я намаляват. Разтвореният в аустенита въглерод също влияе съществено върху термодинамичната активност на въгле­родните атоми - увеличава я с повиша­ване на концентрацията на въглерода в аустенита (фиг. 17.2.). Въглеродът и легиращите елементи, които се разтварят в аустенита, деформират и увеличават параметрите на кристалната решетка на желязото, с което се облекчава дифузия­та на въглерода в нея. Коефициентът на дифузия на въглерода в стома­ните се повишава с увеличаването на съдържанието на С, N и Сu в тях и намалява при легирането им с Cr, W, Мо и др. Естествено дифузията на въглерода зависи от нормалното протичане на процесите на дисоци-ация и адсорбция на въглеродните атоми. При оптимални скорости на дисоциация, адсорбция и дифузия нарастването на слоя зависи осно­вно от температурата и продължителността на насищане. Обикновено на по-дебели слоеве съответства и по-голяма концентрация на въгле­род на повърхността на детайлите. При пресищане на повърхностните зони с въглерод се получават цементитни отделяния по границите на аустенитните зърна и вътре в тях по предпочетени кристалографски плоскости (граници на блокове, равнини на двойникуване и др.). При още по-голямо пресищане на повърхността на детайлите се формира плътен цементитен слой.

При температурата на насищане е налице плавно понижаване на концентрацията на С в дълбочина до достигане на изходната концен­трация на въглерод в стоманата, т.е. структурата на слоя е аустенит с различно въглеродно съдържание. Макар и рядко, в отделни слу­чаи е налице цементитен повърхностен слой. След бавно охлаждане до стайна температура в аустенита с различна концентрация на въглерод протичат структурни промени, които оформят три характерни зони на цементования слой: надевтектоидна, евтектоидна и подевтектоидна зона (фиг. 17.3., вж. също фиг. 17.1.).

Наличието на три ясно различаващи се по металографски път зони позволява лесното им измерване и определяне на дебелината на цемен­тования слой по формулата

След закаляване структурата на слоя е показана на фиг. 17.4. На нея, както и на фиг. 17.3 на повърхността е показано евентуалното наличие на цементитен слой. В първата зона най-често се наблюда­ват големи мартензитни игли, между които се разполага остатъчният аустенит. Мартензитът във втората зона е по-дисперсен, в третата зо­на той постепенно намалява в дълбочина, а се увеличава количеството на троостита. Желателно е сърцевината на детайла да има сорбитна структура без свободен ферит, но това зависи от въглеродното съдържа­ние и прокаляемостта на стоманата. Наличието на структурно свободен ферит намалява якостта на сърцевината и е предпоставка за пукнати-нообразуване.

Съществен дефект е получаването на т.нар. анормална структу­ра на цементования слой, при която цементитът в перлитните зърна е едрокристален и е заобиколен от ферит. При нагряване за закаляване този цементит не успява да се разтвори напълно и след закаляване на повърхността се получават т.нар. меки петна. Такъв слой е с повишена крехкост.Наличието на изявена цементитна мрежа в надевтектоидната зона също е показател за повишена крехкост. Нормалната надевтектоидна зона е с разкъсана цементитна мрежа. Гореизброените дефекти са пред­поставка за образуване на пукнатини при шлифоване на детайлите.

ТЕХНОЛОГИЯ НА НАВЪГЛЕРОДЯВАНЕ

Т


върдата цементация се провежда като детайлите се подреждат в метална кутия и се засипват с навъглеродяващата смес. Последната се състои от дървени (дъбови или брезови) въглища или кокс, 20-25 % ВаСО и 1-3,5 % СаСО. Обикновено карбуризаторът съдържа 25-30 % свежа смес и 56-75 % работила смес. На дъното на металния контейнер върху слой от 20-30 mm смес се подреждат детайлите на разстояние 10-­15 mm един от друг и от стените на камерата. Върху тях се насипва нов слой от 10-15 mm смес, поставя се нов ред и т.н. до запълване на кон­тейнера. Последният ред детайли се засипва с 30-40 mm смес, след което се поставя капакът и краищата се обмазват с огнеупорна глина. Загря­ването се извършва в пещ със скорост 7-9 min за всеки сантиметър от най-малкия размер на контейнера. Температурата на цементация най-често е 910-930 °С (но може и 950-1000 °С), а продължителността е 5-6 до 10-14 часа. След цементацията детайлите се охлаждат до 400-500 °С и се изваждат от контейнера.Течното навъглеродяване се провежда в разтопени соли от 75-­85 % NaCО, 10-15 % NaCl и 6-10 % SiC при температури 830-900 °С в продължение на 0,5-3 часа. Методът е подходящ за дребни детайли, нагряването е равномерно и повърхността на детайлите остава чиста. Възможно е директно закаляване от температурата на цементация.За навъглеродяване в течна среда могат да се използват разтво­ри на спирт, етанол и метанол във вода. В тези случаи изделията се поставят в тръби, а нагряването е с т.в.ч

Газовата цементация е най-широко използваният вариант на навъглеродяването. За насищащи среди се използва природен, светилен газ, смес от пропан-бутан или течни въглеводороди (бензол, керосин, синтин). Последните се подават на капки в пещта, където те се изпаря­ват и формират насищащата атмосфера. Температурата на цементация е 920-950°С (но може да се повиши до 1000-1050°С), а продължителност­та за слой с дебелина 0,7-1,5 mm при 930 °С е 3-10 часа в шахтови пещи с непрекъснато действие. В последните се използват контролируеми атмосфери, състоящи се от 92-95 % ендогаз и 5-8 % природен газ. За съкращаване на продължителността на процеса обикновено в първата зона на пещите с непрекъснато действие (около 2/3 от общата дължи­на на пещта) се поддържа висок въглероден потенциал на атмосферата (1,3-1,4 % С), като за целта към ендогаза се добавя 10-15 % природен газ. Във втората зона се подава само ендогаз, вследствие на което по­върхностната въглеродна концентрация се понижава до около 0,8 %, а дебелината на слоя се увеличава.

З
а ускоряване на процеса се използват по-високи температури (1000-1050 °С), по-интензивна циркулация на газовете, цементация в кипящ слой, тлеещ разряд, вакуум, предварително студено пластично деформиране на детайлите, нагряване с т.в.ч. и други въздействия (ул­тразвук, радиационно облъчване, термоциклиране около A).

За защита на отделни части на детайлите от навъглеродяване се използват обмазки от водно стъкло и смес от глина и азбест, стъкло на прах и магнезит или талк. Отворите се запълват с глина. Най-каче­ствената защита осигуряват галванични покрития от мед (0,008-0,015 mm) или хром (> 0,005 mm).

СТОМАНИ ЗА НАВЪГЛЕРОДЯВАНЕ И ТЕРМИЧНО ОБРАБОТВАНЕ НА ЦЕМЕНТОВАНИ ДЕТАЙЛИ

На цементация се подлагат различни по състав въглеродни сто­мани (08, 10, 15, 20, Ст.2, Ст.З, Ст.4, Ст.5, А12, А15, А20), но за по-отго­ворни детайли се използват легира-ни стомани - 15Х, 20Х, 20ХГ, 20ХН, 20ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18ХГН, 25ХГТ и много други .

При стомани с С< 0,17 мас, % дебелината на цементования слой трябва да е около 15 % от диаметъра или най-малката дебелина на детай­лите, а при С>0,17 мас. % дебели­ната на слоя е 5-9 % от посочени­те размери. При големи контактни натоварвания дебелината на слоя се намалява до 3-4 % от тях,

Цементованите изделия се под­лагат на закаляване и отвръщане за подобряване на свойствата им. Най-често използваните и препоръчвани режими са показани на фиг.17.5.

Н



епосредственото закаляване (схема "а") от температурата на це­ментация е икономически изгоден вариант, но количеството на остатъ­чния аустенит е сравнително голя­мо и твърдостта на слоя се понижа­ва. Деформациите на детайлите са незначителни, но структурата на слоя и сърцевината е уедрена. Подо­бни резултати, но по-малко А гарантира случай "б", при който преди закаляването детайлите се охлаждат до температура на сърцевината им в интервала А — А (напр. 820 °С). Известни предимства по отноше­ние на издребняване на сърцевинната структура и по-малки количества А предлагат случаи "в" и "г”. Двойното закаляване (вариант "д") гарантира издребняване на структурата и на слоя и в сърцевината, но деформациите и окисляването на детайлите са по-големи, а процесът е и по-неикономичен. За намаляване на деформациите се препоръчва степенно закаляване в загрято до 160-180°С масло (вариант "е") или изотермично закаляване (вариант "ж"). Намаляване на деформациите и подобряване на якостта и пластичността на слоя се постига при за­каляване с т.з.ч. Независимо от варианта на закаляване, във всички случаи се провежда Отвръщане при 160-180 °С в загрято масло в про­дължение на 0,5-1 час. Чрез отвръщането се понижават напреженията в слоя и сърцевината, а така също се намалява вероятността за появата на пукнатини при шлифоване на детайлите.

• 
  Задача : Да се изследва по металографски път структурата на предвари­телно цементовани стомани 12ХНЗА, 20Х, 18ХГТ и др.
  

№			d	HRV	l , mm
1	72	71	71,5	73	0.25
2	69	72	70,5	75	0.45
3	77	75	76	64	0.6
4	76	75	75,5	65	0.85
5	84	85	84,5	52	1.05
6	97	90	93,5	42	1.25
7	98	98	98	39	1.45
8	97	99	98	39	1.65
9	103	97	100	37	1.85
10	107	104	105,5	33	2.05

;