Cementování a cementační kalení: základy

Myšlenka

Některé díly potřebují dvě protichůdné vlastnosti: povrch, který odolává opotřebení a kontaktní únavě, a jádro, které pohlcuje rázy bez praskání. Cementování poskytuje obojí z jednoho kusu nízkouhlíkové oceli. Díl se drží při zhruba 880–950 °C v atmosféře bohaté na uhlík; uhlík difunduje do povrchu a následné zakalení ztvrdí pouze tuto obohacenou vrstvu — cementovanou vrstvu — zatímco nízkouhlíkové jádro zůstává poměrně měkké a houževnaté.

Hloubka vrstvy

Hloubka vrstvy se předepisuje jako hloubka, ve které tvrdost klesne na definovanou úroveň — v evropské praxi běžně 550 HV (CHD, hloubka cementačního kalení). Důležité jsou dvě hloubky:

• Efektivní hloubka vrstvy (do 550 HV): obvykle zhruba 0.3–2.5 mm u ozubených kol a hřídelů, přizpůsobená kontaktnímu napětí a modulu ozubení.
• Celková hloubka vrstvy: celá difuzní zóna, vždy hlubší než efektivní hloubka.

Hlubší vrstvy vyžadují nepoměrně delší čas v peci, protože hloubka difuze roste s druhou odmocninou času — zdvojnásobení hloubky trvá zhruba čtyřikrát déle.

Uhlíkový potenciál

Atmosféra pece je řízena na uhlíkový potenciál — úroveň povrchového uhlíku, kterou atmosféra při dané teplotě vytvoří v čistém železe. Obvykle se provozuje poněkud pod oblastí eutektoidu až nasycení nebo v její blízkosti, ve fázi nasycování často kolem 0.8–1.0% C na povrchu. Příliš vysoký potenciál tvoří saze, sítě karbidů a nadměrný zbytkový austenit; příliš nízký dává mělkou, měkkou vrstvu. Výrobní cykly často používají schéma boost–diffuse: vysoký potenciál pro rychlé vpravení uhlíku dovnitř, poté fáze s nižším potenciálem pro nastavení finálního povrchového uhlíku a gradientu.

Jádro versus vrstva po kalení

Po cementování se díl zakalí (přímo, nebo po opětovném ohřevu pro zjemnění zrna) a popustí při nízké teplotě, zhruba 150–200 °C. Vysokouhlíková vrstva se přemění na tvrdý martenzit, na povrchu obvykle kolem 58–62 HRC. Jádro — stále jen asi 0.15–0.25% uhlíku — se zakalí jen natolik, nakolik to jeho prokalitelnost dovolí, zůstává mnohem měkčí a poskytuje houževnatost, kolem které je díl navržen.

Oceli navržené pro cementování

Cementační oceli jsou záměrně nízkouhlíkové, legované pro pevnost jádra a prokalitelnost:

• 8620 (AISI): univerzální severoamerická ocel na ozubená kola, jádro Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): standardní čínská ocel na ozubená kola; titan fixuje zrno během dlouhých cementačních cyklů.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): nejrozšířenější evropská značka pro malá a střední ozubená kola.
• Varianty pro vyšší zatížení přidávají nikl (např. 18CrNiMo7-6), kde je pevnost jádra ve velkých průřezech kritická.

Předepsat cementovaný díl znamená předepsat hloubku vrstvy, povrchovou tvrdost a tvrdost jádra společně — kterákoli z nich sama o sobě je neúplný požadavek.

Plynové, práškové a nízkotlaké varianty

Tradiční práškové cementování v pevné uhlíkaté směsi je dnes převážně historické. Moderní výroba používá cementování v plynu v pecích s atmosférou, kde se uhlíkový potenciál měří a řídí průběžně, nebo nízkotlaké (vakuové) cementování, kde pulzy uhlovodíkového plynu ve vakuové peci dávají velmi rovnoměrné vrstvy na složitých geometriích ozubení bez povrchové oxidace — obvykle následované vysokotlakým kalením v plynu. Metalurgie, kterou konstruktér předepisuje, je ve všech třech stejná; mění se rovnoměrnost, čistota, ekonomika cyklu a deformační chování, které musí dokončování ozubení absorbovat.