Рубрика: Термическая обработка
Многие детали машин должны одновременно сопротивляться износу и выдерживать ударные и изгибающие нагрузки. Зубчатые колеса, кулачки, пальцы, втулки, валы-шестерни работают в условиях, где твердая, но хрупкая деталь быстро сломается, а вязкая — быстро изнесется. Решение — сделать поверхность высокоуглеродистой и твердой, а сердцевину оставить низкоуглеродистой и вязкой. Именно для этого применяют цементацию и нитроцементацию: процессы химико-термической обработки, при которых поверхностный слой стали насыщают углеродом или одновременно углеродом и азотом, а затем закаливают.
Цементация — диффузионное насыщение поверхности низкоуглеродистой стали углеродом при температуре 880–950 °C, когда сталь находится в аустенитном состоянии и способна растворить много углерода. Исходная сталь содержит 0,1–0,25 % углерода. После цементации концентрация в поверхностном слое достигает 0,8–1,0 %, плавно снижаясь к сердцевине.
Сама по себе цементация твердости не дает: после медленного охлаждения насыщенный слой имеет перлитную структуру. Твердость появляется только после последующей закалки и низкого отпуска. Поверхность приобретает 58–63 HRC, а сердцевина в зависимости от марки стали и сечения — 25–42 HRC при высокой вязкости.
Для цементации применяют стали с низким содержанием углерода. Углеродистые марки дешевле, но прокаливаются неглубоко и дают мягкую сердцевину. Легированные хромом, никелем, марганцем, молибденом и титаном стали обеспечивают прочную сердцевину и более равномерный слой.
| Марка | Группа | Твердость сердцевины, HRC | Типичные детали |
|---|---|---|---|
| 10, 20 | Углеродистые | до 20–25 | Малонагруженные пальцы, втулки, рычаги, оси |
| 15Х, 20Х | Хромистые | 25–35 | Кулачки, толкатели, шестерни средней нагрузки |
| 18ХГТ, 25ХГТ | Хромомарганцевотитановые | 30–40 | Зубчатые колеса коробок передач, валы-шестерни |
| 20ХГНМ, 20ХН3А | Хромоникелевые | 32–42 | Тяжелонагруженные шестерни, валы редукторов |
| 12ХН3А, 12Х2Н4А | Высоколегированные хромоникелевые | 30–40 | Крупные ответственные зубчатые колеса, детали с высокими динамическими нагрузками |
Титан в сталях типа 18ХГТ препятствует росту зерна при длительной выдержке, что позволяет проводить закалку непосредственно с температуры цементации и сокращать цикл.
Основной промышленный способ. Детали нагревают в герметичной печи, куда подается углеродсодержащая атмосфера — эндогаз с добавкой природного газа, пиролизуемые жидкости или иные карбюризаторы. Углеродный потенциал атмосферы регулируется, что позволяет точно управлять концентрацией углерода на поверхности и глубиной слоя. Газовая цементация хорошо подходит для серийного производства и обеспечивает стабильный результат.
Детали укладывают в стальные ящики, засыпают смесью древесного угля с активаторами, герметизируют и нагревают в печи. Способ прост и не требует специального оборудования, но процесс длительный, точность регулирования слоя ниже, а непосредственная закалка из ящика невозможна. Его применяют для единичных деталей, крупногабаритных изделий и ремонтных работ.
Насыщение ведется при пониженном давлении импульсной подачей углеводородного газа. Процесс быстрее за счет более высоких температур, отсутствует внутреннее окисление, а охлаждение в газе под давлением уменьшает коробление. Подходит для точных деталей и сложной геометрии, в том числе с глухими отверстиями.
Нитроцементация — одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом в газовой среде, обычно при 840–870 °C. В атмосферу цементации добавляют аммиак. Азот снижает температуру превращений, повышает прокаливаемость слоя и устойчивость против отпуска.
Нитроцементация эффективна для слоев до 0,8–1,0 мм. Для более глубоких слоев, которые требуются у крупномодульных шестерен, предпочтительна классическая цементация. Кроме того, при избытке азота в слое может образоваться повышенное количество остаточного аустенита и темная составляющая, снижающие твердость, поэтому атмосферу нужно строго контролировать.
Глубина слоя зависит от назначения детали, нагрузок и размеров. Слишком тонкий слой продавливается под контактной нагрузкой, слишком толстый увеличивает время процесса, коробление и снижает вязкость зубьев.
| Деталь | Рекомендуемая эффективная глубина, мм | Предпочтительный процесс |
|---|---|---|
| Мелкие пальцы, оси, втулки | 0,3–0,6 | Нитроцементация |
| Шестерни модуля 2–3 мм | 0,4–0,7 | Нитроцементация или газовая цементация |
| Шестерни модуля 4–6 мм | 0,8–1,2 | Газовая цементация |
| Шестерни модуля 8–12 мм | 1,4–2,0 | Газовая цементация |
| Кулачки, толкатели, опоры скольжения | 0,6–1,0 | Цементация или нитроцементация |
Для зубчатых колес часто используют эмпирическую связь: эффективная глубина около 0,15–0,2 модуля. Учитывайте также припуск на шлифование: он снимается с упрочненного слоя, поэтому глубину назначают на готовую деталь, а технолог закладывает запас.
Деталь обрабатывают с припуском под шлифование. Поверхности, которые должны остаться мягкими, защищают медным покрытием, обмазками или оставляют увеличенный припуск, снимаемый после цементации.
Цементация или нитроцементация на заданную глубину с контролем углеродного потенциала и времени выдержки по образцам-свидетелям.
Непосредственная закалка с подстуживанием или повторный нагрев под закалку — для наследственно крупнозернистых сталей и ответственных деталей.
Нагрев до 160–200 °C снимает напряжения, сохраняя твердость поверхности 58–62 HRC.
Шлифование посадочных поверхностей и зубьев, контроль твердости, глубины слоя и размеров.
Механическую доводку после химико-термической обработки выполняют на участке шлифования, что позволяет получить детали в окончательных размерах без передачи между подрядчиками.
Часто чертеж требует упрочнить только часть детали: зубья и шейки под подшипники — да, резьбу и шпоночный паз — нет. Способы местной защиты:
Приводит к образованию цементитной сетки по границам зерен, которая охрупчивает слой и может вызывать скалывание. Решается контролем потенциала атмосферы и диффузионной стадией в конце процесса.
Снижает твердость поверхности и стабильность размеров. Характерен для высоколегированных сталей и нитроцементации с избытком азота. Устраняется корректировкой режима, обработкой холодом или повышением температуры отпуска в допустимых пределах.
Окисление легирующих элементов по границам зерен в тонком поверхностном слое снижает усталостную прочность. Меньше выражено при вакуумной цементации, а также снимается последующим шлифованием.
Длинные валы и тонкие кольца деформируются при закалке. Помогают вертикальная подвеска, закалка в штампах, нитроцементация вместо цементации и предварительная нормализация заготовок.
Чтобы технолог мог сразу подобрать процесс и оценить стоимость, в заявке и чертеже стоит указать:
Заказчики нередко спрашивают, нельзя ли заменить цементацию более простой закалкой ТВЧ или азотированием. Ответ зависит от условий работы детали и экономики серии.
При переходе с одного вида упрочнения на другой почти всегда приходится менять и марку стали: цементуемую сталь 20Х нельзя качественно закалить ТВЧ, а сталь 45 не дает после цементации преимуществ перед поверхностной закалкой. Поэтому вопрос технологии упрочнения лучше решать на стадии выбора материала.
Цементация и нитроцементация позволяют получить деталь с твердой износостойкой поверхностью и вязкой сердцевиной — оптимальное сочетание для зубчатых колес, валов, пальцев и кулачков. Цементация подходит для глубоких слоев и тяжелонагруженных деталей, нитроцементация — для слоев средней и малой толщины, где важны меньшее коробление и высокая износостойкость. Результат определяется правильным выбором стали, глубины слоя, режима закалки и отпуска, а также грамотной защитой мягких зон. Четко сформулированные требования в чертеже сокращают сроки и исключают спорные ситуации при приемке.
Если нужно выполнить цементацию или нитроцементацию деталей с последующей закалкой и шлифованием, пришлите чертеж — предложим технологию и рассчитаем стоимость.
