Твердость стали 40х после цементации

Цементуемые углеродистые и легированные стали.

Особенности технологии цементации

ХТО детали применяется после механической подготовки изделия. Нередко возникает необходимость упрочнения лишь определенной части заготовки, а не всей ее поверхности. В данном случае участки, не требующие повышения показателей прочности, обрабатываются слоем меди минимальной толщины электролитическим методом или же покрываются специально предусмотренными веществами – обмазками. В качестве обмазывающих средств может использоваться асбест, песок, жидкое стекло или глина с огнеупорными свойствами. Выделяют несколько технологий цементации стальных изделий.

С применением твердого карбюризатора

В данном случае в качестве источника атомарного углерода применяется древесный уголь и активизирующие вещества, к примеру, углекислый барий и кальцинированная сода. Подготовленные изделия укладываются в литые чугунные или сварные стальные емкости. Внутрь ящика круглой или прямоугольной формы помещается древесный уголь слоем в 2-3 см, после чего укладывается первый ряд заготовок с предусмотренным отступом между деталями и стенками резервуара. Количество слоев определяется стандартами технологии. Толщина слоя карбюризатора между рядами заготовок составляет 1-1,5 см. Толщина верхнего слоя карбюризатора варьируется в пределах от 3,5 см до 4,0 см. Емкость закрывается крышкой, зазоры герметизируются огнеупорной глиной или глиняно-песчаной смесью.

Цементация происходит при температуре 910-930°C. Время нахождения заготовок в печи рассчитывают по такому принципу: 7-9 минут на каждый сантиметр самого малого параметра емкости. Качественность прогрева определяется состоянием подины печи (если на поверхности отсутствуют темные пятна в местах соприкосновения с резервуаром, значит нагрев можно прекратить). После нагревания емкость остужают до 400-500°C, после чего ее открывают.

Газовая технология цементации

Данный процесс считается более производительным, в сравнении с описанным выше, благодаря чему технология пользуется популярностью в промышленной сфере при массовом производстве.

Достоинства газовой химико-термической обработки:

  • возможность контролирования содержания углеродных соединений в поверхностном слое;
  • сокращение длительности ХТО, обусловленная отсутствием необходимости прогрева резервуара;
  • полная автоматизация процесса;
  • существенное упрощение заключительного процесса термической обработки, так как закалка осуществляется прямо из цементационной печи.

Достичь оптимальных показателей твердости и износостойкости можно при помощи цементации в среде, состоящей из метана, пропан-бутановых смесей, а также различных углеродов. Процесс осуществляется при температуре в пределах 910-930°C в печах шахтного типа. Процесс обработки, как правило, занимает от 6 до 12 часов.

Науглероживание также может осуществляться в электролитных растворах, кипящих слоях или же пастообразных смесях.

Цементуемые стали

Конструкционные стали общего назначения

Конструкционные легированные стали

Углеродистые конструкционные качественные стали

маркируют двузначными числами 08, 10, 15, 20, 25, 30, …85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, например, сталь 08 содержит 0,08% С, сталь 10 – 0,1% С.

бывают качественные и высококачественные. Маркировка буквенно-цифровая. Число в начале марки – содержание углерода в сотых долях процента, буквы обозначают легирующий элемент (Табл.4), число после буквы – среднее содержание легирующего элемента в процентах, если числа нет – легирующего элемента около 1%.

Обозначения основных легирующих элементов в маркировке сталей

Название символ Обозначение Название символ Обозначение
Хром Cr Х Титан Ti Т
Никель Ni Н Алюминий Al Ю
Марганец Mn Г Медь Cu Д
Кремний Si С Ниобий Nb Б
Молибден Mo М Бор B Р
Вольфрам W В Кобальт Co К
Ванадий V Ф Азот N А*

* Буква «А» в середине марки стали означает сталь, легированную азотом. Например, сталь 16Г2АФ содержит 0,16% С, 2% Mn, 0,2%V и 0,02%N.

Буква «А» в начале марки стали указывает на автоматную сталь, например, А40Г. Буква «А» в конце марки стали – на высокое качество стали, например, 18Х2Н4ВА – 0,18%С, 2%Cr, 4%Ni,

1%W, А – высококачественная.

8.2.4. Инструментальные стали:

Углеродистые стали качественные маркируют У7, У8…У13 и высококачественные – У7А, У8А…У13А. “У”- углеродистые. Цифра указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента, например, сталь У8 содержит 0,8%С, У13 – 1,3%С.

Легированные стали имеют буквенно-цифровую маркировку: первая цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента, если цифры нет, то содержание углерода 1% или более. Далее буквы, обозначающие легирующие элементы (табл. 4) и цифры, показывающие содержание легирующих элементов в процентах. Например, 9ХС содержит 0,9% С, 1% Cr и 1% Si.

Читайте также:  Как просверлить отверстие закаленной стали

Конструкционные стали общего назначения в зависимости от вида окончательной термообработки делят на:

– низкоуглеродистые, содержат 0,1…0,3%С. Применяются для деталей, от поверхности которых требуется высокая твердость и износостойкость, а от сердцевины повышенная вязкость.

Термообработка: цементация+закалка+низкий отпуск. Структура на поверхности: МОТП+ЦII+АОСТ, твердость поверхности 58…64 HRC. Структура сердцевины зависит от химического состава стали.

: 15, 20, 25. Структура сердцевины П+Ф; Применяются для ненагруженных деталей — шестерен, крепежа, кулачков и др.

Низколегированные хромистые стали: 15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХМ. Структура сердцевины — нижний бейнит. Применение — поршневые пальцы, распределительные валы, крестовины карданного вала и др.

Cr-Ni- и Cr-Mn-стали: 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 25ХГМ, 18ХГТ. Структура сердцевины – низкоуглеродистый мартенсит. Применяют их для высоконагруженных деталей, работающих в условиях износа, ударных и циклических нагрузок: шестерни ведущих мостов и главных передач грузовых автомобилей, валы коробок передач, полуоси и др.

8.3.2. Улучшаемые стали – среднеуглеродистые,

содержат 0,3…0,5% С. Применяются для деталей, работающих при ударных и циклических нагрузках: коленчатые и карданные валы, валы редукторов, оси, шатуны, шестерни и др.

Основная термообработка: улучшение (закалка + высокий отпуск). Структура: зернистый сорбит, который оптимально сочетает высокую прочность с высокой ударной вязкостью и выносливостью. Для малонагруженных деталей вместо улучшения проводится нормализация. Для деталей, работающих в условиях повышенного износа, после улучшения или нормализации проводят поверхностную закалку ТВЧ или азотирование.

30, 35, 40, 45, 50. Термообработка: улучшение (нормализация), структура сорбит отпуска зернистый (сорбит пластинчатый+феррит). Обладают малой прокаливаемостью, применяются для осей шестерен, фланцев, крепежных деталей.

Хромистые: 30Х, 40Х, 40ХФА. Термообработка: улучшение + закалка ТВЧ + низкий отпуск. Структура: на поверхности — МОТП+АОСТ, в сердцевине – СОТП. Применяются для шатунов, валов коробки передач, шатунных болтов, креплений маховика, крепежа и т.д.

Хромомарганцевые 40ХГ, 40ХГТР, хромоникелевые 45ХН, 40ХН2МА. Термообработка: улучшение, структура сорбит отпуска зернистый. Применение: валы, штоки, поршни, шаровые пальцы, шатуны, коленчатые валы.

Хромомарганцевокремниевые (хромансилы): 30ХГС, 35ХГСНА. Термообработка: изотермическая закалка или улучшение. Структура, соответственно, – нижний бейнит или сорбит зернистый. Применяются для шаровых пальцев, рычагов рулевого управления, шатунных болтов, креплений маховика и.т.д.

Хромоалюминиевые (нитраллои): 38Х2МЮА. Термообработка: улучшение+азотирование. Структура: на поверхности – карбонитриды легирующих элементов, в сердцевине – СОТП. Применяются для гильз цилиндров мощных двигателей, плунжеров топливной аппаратуры, игл форсунок.

Маркировка стали

Все углеродистые согласно маркировке стали делятся на три категории:

  • Группа А. К ней относятся сплавы, соответствующие строго заданным механическим свойствам;
  • Группа Б. Стали этой группы четко соответствуют по химическому составу;
  • Группа В. Продукция этой группы должна соответствовать механическим, физическим и химическим свойствам одновременно.

У стали обыкновенного качества в начале обозначения стоят буквы Ст. За буквами Ст в маркировке идет цифровое обозначение. Цифра в маркировке обозначает номер марки металла. Далее, после номера, вписывается тип сплава. Обозначение типа сплава следующее:

  • КП – кипящий;
  • ПС – полуспокойный;
  • СП – спокойный.

Непосредственно перед буквенным обозначением сплава стоит буква, обозначающая группу стали. Если продукт относится к группе А, то буква не проставляется.

Цветовая маркировка

Для быстрого определения марки производитель наносит специализированной краской соответствующие полосы:

  • Ст0 – зеленая полоса + красная.
  • Ст1 – одна желтая + одна черная.
  • Ст3Гсп – коричневая + синяя.
  • Ст3 – красная.
  • Ст4 – черная.
  • Ст5Гпс – коричневая + зеленая.
  • Ст5 – зеленая.
  • Ст6 – синяя.


Цветовая маркировка
Степень наличия углерода в материале определяется в самом начале. Количество углерода для металла группы А указывается в сотых частях процента. Для Б и В – в десятых. В некоторых случаях после этих цифр производитель проставляет букву Г. Она означает, что в изделии содержится большое количество марганца.

Категории качественной стали

Качественные стали разной маркировки можно разделить на несколько категорий:

  • 08пс, 08кп – имеют высокую пластичность. Хорошо подходят для холодной прокатки;
  • От 10 до 25 – используется для горячей штамповки или прокатки;
  • От 60 до 85 – применяется для выполнения ответственных конструкций, таких как рессоры, пружины, муфты сцепления;
  • 30, 50, 30Г, 50Г – повышенной прочности, выдерживающие большие нагрузки.

Исключения в обозначениях

Качественные стали имеют некоторые исключения в обозначениях. К ним относятся:


Качественные углеродистой стали

  • 15К, 20К, 22К – применяются в строении котлов;
  • 20-ПВ – имеет в своем составе 0.2 процента углерода и медь с хромом. Из нее выполняются трубы для систем отопления;
  • ОсВ – содержит добавки никеля, хрома и меди. Из нее изготавливают оси железнодорожных вагонов;
  • А75, АСУ10Е, АУ10Е – применима для деталей в часовых механизмах.

Из вышеперечисленного следует, что перед использованием изделия из углеродистой стали необходимо обратить внимание на его маркировку. Так можно определить его физико-химические свойства и область предназначения. Зная значение маркировки металлической продукции, не возникнет трудностей при подборе конкретного вида для любых целей.

Читайте также:  Какая твердость у дамасской стали

Классификация стали

Все углеродистые стали, в зависимости от области предназначения, разделяются на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали, и делятся по нескольким параметрам:

  • Метод раскисления.
  • Состав химических элементов.
  • Микроструктура.
  • Качество.

Согласно основным стандартам, углеродистые стали делятся на:

Источник

Цементация стали

Цементация металла – это вид термической обработки металлов с использованием дополнительного химического воздействия. Атомарный углерод внедряется в поверхностный слой, тем самым его насыщая. Насыщение стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Процесс цементации

Целью цементация стали является повышение эксплуатационных характеристик детали. Они должны быть твердыми, износостойкими снаружи, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.

Для достижения данных требований требуется высокая температура, среда, выделяющая свободный углерод. Процесс цементации применим к сталям с содержанием углерода не больше двух десятых долей процента.

Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают с использованием печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При такой температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решетки стали.

Цементация деталей достаточно продолжительный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Не трудно подсчитать, что требуемый для длительной эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.

Влияние на глубину слоя продолжительности цементации

На графике наглядно показано на сколько зависит продолжительность по времени от глубины наугрероживаемого слоя и температуры нагрева.

Технологически цементация сталей производится в различных средах, которые принято называть карбюризаторами. Среди них выделяют:

  • твердую среду;
  • жидкую среду;
  • газовую среду.

Поверхностный слой, получаемый цементацией

Стали под цементацию обычно берутся легированные или же с низким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и подобные им.

Способы цементации

Цементация получила широкое распространение при обработке зубчатых колес и других деталей, работающих при ударных нагрузках. Высокая твердость рабочих поверхностей обеспечивает продолжительный срок работы, а достаточно вязкая середина позволяет компенсировать ударные нагрузки.

Разработаны множество способов науглероживания. Чаще всего используются следующие:

  • в твердой среде;
  • в жидкости;
  • в газе;
  • в вакууме.

Как происходит процесс цементации с использованием твердой среды

В качестве твердого карбюризатора берется смесь древесного угля (береза, дуб) и соли угольной кислоты с кальцием и другими щелочными металлами. Количество древесного угля может достигать 90%. Для приготовления смеси компоненты дробятся для улучшения выхода углерода. Размер частиц не должен превышать 10 мм. Так же не должно быть микроскопических частив в виде пыли и крошек, поэтому смесь просеивается.

Цементация стали в твердой среде

Для получения готовой смеси пользуются двумя способами. Первый – соль с углем в сухом состоянии тщательно перемешивается. Второй способ – из соли получают раствор. Для этого ее разводят в воде, а после чего этим раствором обильно смачивают древесный уголь. Перед помещением в печь уголь сушат. Его влажность не должна превышать 7%. Получение карбюризатора последним способом более качественно.

Смесь насыпается в ящики. После чего в них помещают детали. Для исключения оттока газа, получаемого во время нагрева, ящики подвергаются герметизации. Плотно закрывающую крышку дополнительно замазывают шамотной глиной.

Ящики подбираются в зависимости от формы детали, их количества и объема засыпанной смеси. Обычно они бывают прямоугольными и круглыми. Материалом для изготовления ящиков может служить сталь как жаростойкая, так и низкоуглеродистая.

Технологический процесс цементации стали можно представить в следующем порядке:

  • Детали, предназначенные под цементацию, закладываются в металлические ящики, при этом равномерно пересыпаются угольным составом.
  • Ящики герметизируются и подаются в заранее нагретую печь.
  • Первоначально производится прогрев до температурных показаний порядка 700С — 800С.
  • Контроль прогреваемости производится визуально. Ящики и подовая плита имеют равномерный цвет без затемненных пятен.
  • Далее температуры в печи увеличивают до требующихся 850С 950С. В данном диапазоне происходит диффузия внедрения атомов углерода.
  • Длительность выдерживания деталей в печи напрямую зависит от требуемой толщины слоя.

Как происходит процесс цементации в газовой среде

Цементация стали в среде газов производится при массовом выпуске деталей. Глубина цементации не превышает 2-х мм. Используемые газы – естественные или искусственные газы, содержащие углерод. Обычно используется газ, получающийся при распаде нефтепродуктов.

Цементация стали в газовой среде

Его получают в большинстве случаев нагреванием керосина. Больше половины газа подвергают модификации, его крекируют.

Активный углерод при данном способе обработки получается при распаде, и формула имеет следующий вид:

Если пиролизный газ использовался без модифицированного, то в результате обогащенный слой металла будет недостаточным. К тому же пиролизный газ создает обильную сажу.

Печи для данного способа цементации должны быть герметичными. Обычно пользуются стационарными печами, но как вариант методическими.

Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

Читайте также:  Станки для тонколистовой стали

Подвергаемые цементации изделия помещаются в печь. Температура поднимается порядка 910С — 950С. Производится подача газа в печь. Выдержка в газовой среде определенное время.

Длительность термического воздействия составляет 15 часов при температуре в 920С с получаемым слоем 1,2 мм. Для ускорения производственного процесса температуру поднимают. Уже при 1000С получить такой же науглероженный слой возможно за 8 часов.

В последнее время широкое применение нашел способ проведения процесса в эндотермической среде. Во время активного науглероживания в газовой среде поддерживается значительный потенциал углерода за счет введения природного газа (пропана, бутана или метана). На этот период концентрация газ из нефтепродуктов устанавливается на уровне 1%.

Процесс проведения цементации в жидкой среде

Жидкая среда – это расплавленные соли. В качестве солей используются карбонаты металлов, правда, металлы должны быть щелочными с низкой температурой плавления. Температура проведения цементации при данном методе составляет 850С. Процесс происходит во время погружения деталей в ванну с расплавом и выдерживании их там.

Цементация стали в жидкой среде

Цементация в жидкой среде отличается не большим насыщенным слоем, который не превышает 0,5 мм. Соответственно времени занимает до 3 часов. Среди достоинств следует отметить: обработанные детали имеют незначительную деформацию, а также возможна закалка без промежуточного этапа.

Как происходит процесс цементации в вакууме

Недостаточное давление, создаваемое в печи, значительно сокращает время проведения обработки. Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

  • При данном методе детали помещаются в холодную печь.
  • После герметизации камеры нагрева в ней создается вакуум.
  • Затем производят нагрев до требуемой температуры.
  • Производится выдержка, которая занимает до часа по времени. За это время выравнивается температура и с поверхности нагретых деталей осыпаются загрязнения, мешающие науглероживанию.
  • Затем подается в камеру углеводородный газ под давлением. За счет чего происходит активная фаза обогащения поверхностного слоя.
  • На следующем этапе происходит диффузионное внедрение углерода. На этом этапе в камере опять создают вакуумическое давление.
  • За короткий промежуток времени не получается требуемого науглероженного слоя, поэтому процесс повторяют до тех пор, пока не получится требуемая глубина. Обычно результат получается за три стадии.
  • Охлаждение до температуры окружающей среды происходит в печи под действием инертных газов под разным давлением.

Печь для вакуумной цементации

Процесс полностью компьютеризирован. За подачей газа, температурой, давлением следит программа, отвечающая за весь технологический процесс. Среди достоинств следует отметить:

  • регулирование количества углерода;
  • отсутствие кислорода предотвращает образование окислов;
  • газ проникает даже в отверстия минимального диаметра;
  • чередование процессов происходит при равных условиях;
  • полная автоматизация; сокращенные сроки.

Процесс проведения цементации пастами

При производстве разовых работ рациональнее пользоваться пастами для проведения цементации. В составе пасты находятся: сажа с пылью древесного угля. Толщина слоя наносимой пасты должна быть восьмикратно увеличена для получения требуемого насыщенного слоя.

После нанесения состав просушивается. Для процесса цементации используются индукционные высокочастотные печи. Температура проведения процесса достигает 1050С.

Как происходит процесс цементации в электролитическом растворе

Процесс во многом схож с гальваническим покрытием. В нагретый раствор электролита помещается заготовка. Подведенный ток вызывает получение активного углерода и способствует его проникновению в поверхность стальной заготовки.

Таким способом подвергают обработке детали, имеющие небольшой размер. Параметры для прохождения цементации: напряжение тока – 150-300В, температура 450-1050С.

Свойства металла после обработки

После проведения цементации твердость науглероженного слоя достигает: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры металла.

Структура стали после цементации

Для исправления крупного зерна металла детали после цементации подвергаются повторному нагреву и закалке с последующим отпуском или нормализацией.

Закалка производится при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счет получения перлита и феррита.

Вместо закалки для легированных сталей производят нормализацию. После сквозного прогрева в середине детали образуется мартенсит. Нагрев детали зависит от марки стали, из которой она была изготовлена.

Режимы термической обработки стали после цементации

В качестве заключительной фазы проводят низкотемпературный отпуск, который позволяет устранить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.

Недостатки цементации

Как было выше сказано основным недостатком после цементации остается изменение структуры металла. В связи с этим требуется дополнительная обработка, что увеличивает время и так длительного процесса цементации.

Для проведения работ требуется обученный и высококвалифицированный персонал. Среди недостатков следует выделить необходимость подготовки карбюризатора.

В заключение стоит отметить, что цементация позволяет использовать, стали с низким содержанием углерода для изготовления ответственных деталей с длительным сроком эксплуатации, что значительно снижает конечную стоимость.

Для защиты поверхностей, не предназначенных под цементацию, пользуются пастами, намеднением или закладывают увеличенные допуски под обработку.

Источник