Физико- химический механизм переноса углерода при цементации

ЦЕМЕНТАЦИЯ

Цементацией называется химико-термическая обработка (ХТО), заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве(чаще всего 900-950 град С) в углеродсодержащей среде (карбюризаторе)

Окончательные свойства цементованная деталь приобретает после закалки и низкого отпуска

Назначение цементации - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел выносливости при изгибе и кручении, повысить контактную выносливость при сохранении вязкой сердцевины.

Основные детали подвергаемые цементации - валы, зубчатые колеса, шпиндели, кулачки и др.

Виды цементации:

* в твердом карбюризаторе

* в газовой среде

* в расплавленных солях

Физико- химический механизм переноса углерода при цементации

Для решения технологических задач необходимо знать ответы на следующие вопросы:

В каком направлении при заданных условиях идет реакция в которой участвует углерод

До какой концентрации возможно насыщение поверхности углеродом в атмосфере данного состава..

С какой скоростью идет реакция насыщения углеродом

Для ответа на эти вопросы необходим анализ термодинамики и кинетики основных реакций с углеродом, протекающих при цементации.

Основной источник углерода при цементации - окись углерода СО, которая образуется в среде карбюризатора:

2СО «СО2 + С (1)

Константа равновесия этой реакции, которая называется реакцией Будуара

Здесь Рсо2, Рсо – парциальные давления двуокиси и окиси углерода в среде карбюризатора соответственно,

ас - активность углерода, которая в среде карбюризатора равна единице, так как углерод присутствует в твердой фазе (при твердотельной карбюризации)

Константа равновесия К зависит от температуры. Соответственно, соотношение между СО и СО2 так же зависит от температуры, как показано на рис 1. Из этого рисунка видно, что с повышением температуры возрастает доля СО в атмосфере карбюризатора

Рис 1 Влияние температуры на соотношение СО2 и СО в реакции (1)

При взаимодействии СО с поверхностью железа происходит реакция:

Feg + 2CO «Feg (c) + CO2 (2)

Здесь Feg (c) - - аустенит

Константа равновесия этой реакции:

В этом случае активность углерода ас не равна 1 так как углерод находится в разбавленном растворе – аустените и ее можно выразить через соотношение СО и СО2 в карбюризирующей атмосфере:

ас = К* Р со/ Рсо2

Отношение Р со / Рсо2 определяет (при данной температуре) насыщающую способность карбюризирующей атмосферы и называется углеродным потенциалом:

π с = Р со/ Рсо2

Значение π с определяет до какой концентрации углерода может быть насыщена поверхность детали в данной атмосфере. То-есть, если говорится, что потенциал атмосферы равен 0, 8% С, это значит, что в этой атмосфере возможно довести концентрацию углерода только до 0, 8% углерода. Если в эту атмосферу поместить сталь, содержащую 1, 0% С, то будет происходить обезуглероживание поверхности

Важным является вопрос, - какова активность углерода в аустените?

Исследования показали, что эта активность зависит от температуры, концентрации углерода и легирующих элементов

Рис 2 Зависимость активности углерода ас в аустените от концентрации углерода (поданным разных авторов)

Рис 3 Влияние легирующих элементов на содержание и активность углерода в аустените при Т= const (схема)

а при постоянной активности, б- при постоянном содержании углерода

1- чистая система Fe – C, 2 – некарбидообразующие элементы (Ni, Co, Si, B …), 3- карбидообразующие элементы (Cr, Mo, W, Ti, V, …)

Из Рис 3а видно, что при постоянной активности углерода карбидообразующие элементы увеличивают содержание углерода в стали при цементации, а при постоянном содержании углерода (Рис 3б) - уменьшают активность углерода. Некарбидообразующие элементы действуют в обратном направлении