Микроскопическое исследование структуры цементованных деталей

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с процессом цементации и микроструктурой цементованного слоя.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографический микроскоп, образцы цементованных сталей

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Цементацией (науглераживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении углеродом поверхностного слоя детали путем нагрева ее без доступа воздуха в науглераживающей среде (карбюризаторе). Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки А_С3 с выдержкой при этой температуре в течение определенного времени, зависящего от требуемой толщины цементованного слоя и марки цементируемой стали.

Наибольшее распространение получила цементация в твердой (древесный уголь) и газообразной (природный газ, метан и др.) средах. Науглераживание осуществляется атомарным углеродом, выделяющимся при диссоциации окиси углерода или других углеводородов, например, по следующим реакциям:

Атомарный углерод, взаимодействуя с нагретой до аустенитного состояния стали, диффундирует в глубь поверхностного слоя и растворяется в γ – железе. Так как γ – железо обладает способностью растворять значительное количество углерода (до 2,0 %), цементация проводится при температуре выше А_С3 (920 – 950 °C). Массовая доля углерода в поверхностном слое определяется пределом растворимости углерода в аустените (т.е. линией SE диаграммы Fe – Fe₃C) (рис. 3.15 а). При температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада: феррита и цементита. Концентрация углерода при этом обычно не достигает предела насыщения (C_max) при данной температуре.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 3.15 б). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны: (1) заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, последний образует сетку по бывшему зерну аустенита; (2) эвтектоидную, состоящую из пластинчатого перлита; (3) доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита (рис. 3.15 в). Ближе к сердцевине изделия содержание углерода снижается, а, следовательно, в структуре стали уменьшается количество перлита и увеличивается количество феррита.

а) б)

Рис. 3.15. Фрагмент диаграммы состояния Fe-Fe₃C (а), изменение концентрации углерода и твердости после закалки (б), схематическая структура после медленного охлаждения цементованного слоя (в)

Поверхностный слой имеет лучшие свойства при содержании углерода в пределах 0,9 – 1,1 %. При более высоком содержании углерода он становится излишне хрупким, при меньшем содержании высокая твердость после закалки не достигается.

Различают полную и эффективную толщину цементованного слоя. Под полной толщиной понимают всю толщину, в пределах которой содержание углерода уменьшается от максимального на поверхности до исходного в сердцевине.

Практическое значение имеет эффективная (техническая) толщина, за которую принимают расстояние в мм от поверхности до того места, в котором массовая доля углерода равна 0,4 %. На изображенной схеме структурных зон эффективной толщине цементованного слоя соответствует расстояние от поверхности до места, в котором структура состоит из 50 % перлита и 50 % феррита и имеющего твердость после термообработки HRC 50. Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5 – 1,8 мм.

Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению детали. Окончательные свойства цементованных деталей получают в результате термической обработки, состоящей из закалки и низкого отпуска. Структура цементованного слоя, состоящая из мелкоигольчатого мартенсита отпуска, должна обеспечивать поверхностную твердость 59 – 62 HRC.

Назначение цементации и последующей термической обработки – получение высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя при сохранении вязкой, хорошо выдерживающей динамические нагрузки сердцевины. Цементации подвергают детали, изготовленные из низкоуглеродистой (0,1 – 0,25 %), чаще легированной стали, такие как шестерни, поршневые пальцы, шейки валов и осей, измерительный инструмент и др. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщаясь углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ЦЕМЕНТОВАННОГО СЛОЯ

Толщину цементованного слоя определяют с помощью макро – и микроанализа, а также измерением твердости. Макроанализ позволяет быстро определить толщину с точностью, достаточной для производственных условий. Для этого цементованный образец погружают на 1 – 2 мин. в реактив состава: 2 г CuCl₂ 2H₂O и 1 мл HCl на 100 мл спирта. Мягкая нецементованная сердцевина покрывается красным налетом меди, а науглероженный слой не изменяется. Толщина слоя измеряется при помощи лупы или отсчетного микроскопа.

Цементованный слой можно также выявить раствором гипосульфита на шлифованной поверхности металла. В результате этого взаимодействия зерна феррита покрываются темной пленкой сернистого железа, а высокоуглеродистая цементованная полоса остается светлой.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Название работы.

Цель работы.

Схема микроструктуры цементованного слоя с указанием структурных зон и структурных составляющих каждой зоны.

Определение толщины цементованного слоя заданной стали.

Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Что называется цементацией?

Для чего применяется цементация?

Какие стали подвергают цементации?

В какой среде производится науглераживание?

Почему цементация проводится при температуре выше A_C3?

Какие зоны различаются в структуре цементованного слоя?

Какое оптимальное содержание углерода в поверхностном слое цементованной стали?

Что называется эффективной толщиной цементованного слоя?

Какая термическая обработка проводится после цементации и ее назначение.