Cementarea și călirea superficială: Noțiuni de bază

Ideea

Unele piese necesită două proprietăți contradictorii: o suprafață care rezistă la uzură și la oboseala de contact și un miez care absoarbe șocurile fără a se fisura. Cementarea le oferă pe ambele dintr-o singură piesă de oțel cu conținut scăzut de carbon. Piesa este menținută la aproximativ 880–950 °C într-o atmosferă bogată în carbon; carbonul difuzează în suprafață, iar o călire ulterioară întărește numai acel strat îmbogățit — stratul cementat — în timp ce miezul cu conținut scăzut de carbon rămâne comparativ moale și tenace.

Adâncimea stratului

Adâncimea stratului este specificată ca adâncimea la care duritatea scade la un nivel definit — în mod obișnuit 550 HV în practica europeană (CHD, adâncimea de călire a stratului cementat). Două adâncimi contează:

• Adâncimea efectivă a stratului (până la 550 HV): de obicei aproximativ 0.3–2.5 mm pentru roți dințate și arbori, corelată cu tensiunea de contact și cu modulul roții dințate.
• Adâncimea totală a stratului: întreaga zonă de difuzie, întotdeauna mai profundă decât adâncimea efectivă.

Straturile mai profunde necesită un timp în cuptor disproporționat de lung, deoarece adâncimea de difuzie crește cu rădăcina pătrată a timpului — dublarea adâncimii durează de aproximativ patru ori mai mult.

Potențialul de carbon

Atmosfera cuptorului este controlată la un potențial de carbon — nivelul de carbon de suprafață pe care atmosfera îl va produce în fierul pur la temperatură. Acesta este, de obicei, menținut oarecum sub regiunea eutectoidă până la saturație sau aproape de aceasta, adesea în jur de 0.8–1.0% C la suprafață în etapa de îmbogățire. Un potențial prea ridicat formează funingine, rețele de carburi și austenită reziduală în exces; un potențial prea scăzut oferă un strat superficial și moale. Ciclurile de producție folosesc adesea un model de îmbogățire–difuzie: potențial ridicat pentru a introduce rapid carbonul, apoi o etapă cu potențial mai scăzut pentru a stabili carbonul final de suprafață și gradientul.

Miez versus strat după călire

După cementare, piesa este călită (direct sau după o reîncălzire pentru rafinarea grăuntelui) și revenită la temperatură scăzută, aproximativ 150–200 °C. Stratul cu conținut ridicat de carbon se transformă în martensită dură, de obicei în jur de 58–62 HRC la suprafață. Miezul — încă doar aproximativ 0.15–0.25% carbon — se întărește numai în măsura în care îi permite călibilitatea, rămânând mult mai moale și oferind tenacitatea în jurul căreia este proiectată piesa.

Oțeluri concepute pentru cementare

Oțelurile pentru călire superficială au prin concepție conținut scăzut de carbon, aliate pentru rezistența și călibilitatea miezului:

• 8620 (AISI): oțelul de uz general pentru roți dințate în America de Nord, cu miez Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): oțelul standard chinezesc pentru roți dințate; titanul fixează grăuntele în timpul ciclurilor lungi de cementare.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): oțelul european de bază pentru roți dințate mici și medii.
• Variantele pentru solicitări mai ridicate adaugă nichel (de exemplu 18CrNiMo7-6) acolo unde rezistența miezului în secțiuni mari este critică.

Specificarea unei piese cementate înseamnă specificarea împreună a adâncimii stratului, a durității suprafeței și a durității miezului — oricare dintre ele, singură, este o cerință incompletă.

Variante cu gaz, cu pachet și la presiune scăzută

Cementarea tradițională în pachet, în compus solid de carbon, este acum în mare parte istorică. Producția modernă folosește cementarea cu gaz în cuptoare cu atmosferă, unde potențialul de carbon este măsurat și controlat continuu, sau cementarea la presiune scăzută (în vid), unde impulsurile de gaz hidrocarbonat într-un cuptor cu vid oferă straturi foarte uniforme pe geometrii complexe de roți dințate, fără oxidare a suprafeței — urmată, de obicei, de călire cu gaz sub presiune înaltă. Metalurgia pe care o specifică proiectantul este aceeași în toate cele trei variante; ceea ce se schimbă este uniformitatea, curățenia, economia ciclului și comportamentul la deformare pe care trebuie să îl absoarbă finisarea roților dințate.