Цементація та поверхневе загартування: основи

Ідея

Деяким деталям потрібні дві суперечливі властивості: поверхня, стійка до зношування та контактної втоми, і серцевина, що поглинає удари без розтріскування. Цементація забезпечує обидві з одного шматка низьковуглецевої сталі. Деталь витримують приблизно за 880–950 °C у багатому на вуглець середовищі; вуглець дифундує в поверхню, а подальше загартування гартує лише цей збагачений шар — поверхневий шар — тоді як низьковуглецева серцевина залишається порівняно м’якою та в’язкою.

Глибина шару

Глибину шару вказують як глибину, на якій твердість падає до визначеного рівня, — зазвичай 550 HV у європейській практиці (CHD, глибина цементованого шару). Важливі дві глибини:

• Ефективна глибина шару (до 550 HV): зазвичай приблизно 0.3–2.5 mm для шестерень і валів, підібрана до контактного напруження та модуля шестерні.
• Загальна глибина шару: повна зона дифузії, завжди глибша за ефективну глибину.

Глибші шари потребують непропорційно довшого часу в печі, оскільки глибина дифузії зростає з квадратним коренем часу — подвоєння глибини займає приблизно в чотири рази більше часу.

Вуглецевий потенціал

Атмосфера печі контролюється за вуглецевим потенціалом — рівнем вуглецю на поверхні, який атмосфера створить у чистому залізі за даної температури. Його зазвичай підтримують дещо нижче або близько до області від евтектоїдної точки до насичення, часто приблизно 0.8–1.0% C на поверхні на етапі насичення. Занадто високий потенціал утворює сажу, карбідні сітки та надлишковий залишковий аустеніт; занадто низький дає неглибокий, м’який шар. Виробничі цикли часто використовують схему насичення–дифузія: високий потенціал, щоб швидко ввести вуглець, потім етап із нижчим потенціалом, щоб встановити кінцевий вміст вуглецю на поверхні та градієнт.

Серцевина проти поверхневого шару після загартування

Після цементації деталь гартують (безпосередньо або після повторного нагрівання для подрібнення зерна) і відпускають за низької температури, приблизно 150–200 °C. Високовуглецевий поверхневий шар перетворюється на твердий мартенсит, зазвичай приблизно 58–62 HRC на поверхні. Серцевина — все ще лише приблизно 0.15–0.25% вуглецю — гартується лише настільки, наскільки дозволяє її прогартовуваність, залишаючись значно м’якшою та забезпечуючи в’язкість, на яку розрахована деталь.

Сталі, розроблені для цементації

Сталі для поверхневого загартування є низьковуглецевими за конструкцією, легованими для міцності серцевини та прогартовуваності:

• 8620 (AISI): північноамериканська сталь для шестерень загального призначення, серцевина Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): стандартна китайська сталь для шестерень; титан закріплює зерно під час тривалих циклів цементації.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): європейський робочий кінь для малих і середніх шестерень.
• Варіанти для важчих умов додають нікель (наприклад, 18CrNiMo7-6), де міцність серцевини у великих перерізах критична.

Вказувати цементовану деталь означає вказувати разом глибину шару, твердість поверхні та твердість серцевини — будь-яка одна вимога сама по собі є неповною.

Газовий, твердий і низького тиску варіанти

Традиційна цементація у твердому карбюризаторі тепер здебільшого історична. Сучасне виробництво використовує газову цементацію в печах із контрольованою атмосферою, де вуглецевий потенціал вимірюється та контролюється безперервно, або цементацію за низького тиску (вакуумну), де імпульси вуглеводневого газу у вакуумній печі дають дуже однорідні шари на складних геометричних формах шестерень без окиснення поверхні, — зазвичай з подальшим загартуванням газом під високим тиском. Металургія, яку вказує конструктор, однакова в усіх трьох; змінюються однорідність, чистота, економіка циклу та поведінка деформації, яку має поглинути чистова обробка шестерень.