Цементация и поверхностная закалка: основы

Идея

Некоторым деталям нужны два противоречивых свойства: поверхность, устойчивая к износу и контактной усталости, и сердцевина, поглощающая удары без растрескивания. Цементация даёт и то, и другое из одного куска низкоуглеродистой стали. Деталь выдерживают при температуре примерно 880–950 °C в богатой углеродом атмосфере; углерод диффундирует в поверхность, а последующая закалка закаливает только этот обогащённый слой — поверхностный слой — тогда как низкоуглеродистая сердцевина остаётся сравнительно мягкой и вязкой.

Глубина слоя

Глубина слоя указывается как глубина, на которой твёрдость падает до заданного уровня, — в европейской практике обычно 550 HV (CHD, глубина цементованного слоя). Важны две глубины:

• Эффективная глубина слоя (до 550 HV): обычно примерно 0.3–2.5 mm для зубчатых колёс и валов, подбирается под контактное напряжение и модуль зубчатого колеса.
• Общая глубина слоя: вся зона диффузии, всегда глубже эффективной глубины.

Более глубокие слои требуют непропорционально более длительного времени в печи, потому что глубина диффузии растёт пропорционально квадратному корню из времени — удвоение глубины занимает примерно в четыре раза больше времени.

Углеродный потенциал

Атмосфера печи контролируется по углеродному потенциалу — уровню углерода на поверхности, который атмосфера создаст в чистом железе при данной температуре. Его обычно поддерживают несколько ниже области от эвтектоидной до насыщения или вблизи неё, часто около 0.8–1.0% C на поверхности на стадии ускоренного насыщения. Слишком высокий потенциал образует сажу, карбидные сетки и избыточный остаточный аустенит; слишком низкий даёт неглубокий, мягкий слой. Производственные циклы часто используют схему ускоренное насыщение — диффузионная выдержка: высокий потенциал, чтобы быстро ввести углерод, затем стадия с более низким потенциалом, чтобы задать окончательное содержание углерода на поверхности и градиент.

Сердцевина и поверхностный слой после закалки

После цементации деталь закаливают (непосредственно или после повторного нагрева для измельчения зерна) и отпускают при низкой температуре, примерно 150–200 °C. Высокоуглеродистый поверхностный слой превращается в твёрдый мартенсит, обычно около 58–62 HRC на поверхности. Сердцевина — в которой по-прежнему только около 0.15–0.25% углерода — закаливается лишь настолько, насколько позволяет её прокаливаемость, оставаясь намного мягче и обеспечивая вязкость, на которую рассчитана деталь.

Стали, разработанные для цементации

Цементуемые стали по своей конструкции являются низкоуглеродистыми, легированными для прочности сердцевины и прокаливаемости:

• 8620 (AISI): североамериканская зубчатая сталь общего назначения, сердцевина Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): стандартная китайская зубчатая сталь; титан закрепляет зерно во время длительных циклов цементации.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): европейская рабочая марка для малых и средних зубчатых колёс.
• Варианты для более высоких нагрузок добавляют никель (например, 18CrNiMo7-6) там, где прочность сердцевины в крупных сечениях критична.

Указание цементованной детали означает совместное указание глубины слоя, твёрдости поверхности и твёрдости сердцевины — любое из этих требований по отдельности является неполным.

Газовая, твёрдая и вакуумная разновидности при низком давлении

Традиционная цементация в твёрдом углеродсодержащем составе теперь в основном принадлежит истории. Современное производство использует газовую цементацию в печах с атмосферой, где углеродный потенциал непрерывно измеряется и контролируется, или цементацию при низком давлении (вакуумную), где импульсы углеводородного газа в вакуумной печи дают очень однородные слои на зубчатых колёсах сложной геометрии без окисления поверхности, — обычно с последующей закалкой газом под высоким давлением. Металлургия, которую указывает конструктор, одинакова во всех трёх случаях; меняется однородность, чистота, экономика цикла и характер деформации, который должна поглощать отделка зубчатых колёс.