Цементация стали: стали, режим, глубина слоя, эффективная толщина 550 HV и запись на чертеже

Как устроена цементация

По лекциям ТПУ цементация — диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом при нагреве до 900–950 °C в среде, которая легко отдаёт углерод. После неё поверхность становится высокоуглеродистой, а сердцевина остаётся низкоуглеродистой. Структура слоя меняется от поверхности вглубь: заэвтектоидная зона (перлит и цементит), затем эвтектоидная (перлит), затем доэвтектоидная с растущей долей феррита — и так до исходной структуры.

Среднее содержание углерода в слое — степень цементации — обычно не более 1,2 %. Больше углерода — больше вторичного цементита и хрупкость слоя. ГОСТ 21354-87 для цементованных зубчатых колёс задаёт концентрацию углерода на поверхности: 0,75–1,1 % при автоматическом регулировании углеродного потенциала и 0,6–1,4 % в средах с неконтролируемым потенциалом.

Сама цементация создаёт только выгодное распределение углерода. Твёрдость дают закалка и низкий отпуск: в слое образуется высокоуглеродистый мартенсит, сердцевина остаётся вязкой. Так работают зубчатые колёса, червяки, оси, ролики — поверхность сопротивляется износу и контактным нагрузкам, сердцевина держит удар.

Способы цементации и скорость роста слоя

По лекциям ТПУ применяют цементацию в твёрдом и газовом карбюризаторе:

• в твёрдом карбюризаторе детали укладывают в ящики с древесным углём и добавками карбонатов и выдерживают при 930–950 °C. Процесс медленный — около 1 ч на каждые 0,1 мм слоя — и плохо автоматизируется; он остался в мелкосерийном производстве;
• газовая цементация идёт в герметичных печах в атмосфере углеродсодержащих газов. Концентрацию углерода в слое регулируют составом атмосферы, процесс механизируется, его применяют в серийном и массовом производстве.

Глубина слоя зависит от температуры и времени. Для оценки в литературе используют формулу Харриса (1943), выведенную для углеродистой стали без легирования.

Пример. Нужен слой около 1 мм. При 920 °C, то есть 1193 К: 10^(3722/1193) ≈ 1318, коэффициент 803/1318 ≈ 0,61 мм/√ч, время t = (1 / 0,61)² ≈ 2,7 ч. При 950 °C (1223 К) коэффициент ≈ 0,73 мм/√ч и время ≈ 1,9 ч.

Это оценка общей глубины для углеродистой стали. Легирующие элементы, углеродный потенциал атмосферы и способ определения глубины меняют результат, поэтому режим назначает термист по своей печи. Формула хорошо показывает главное: слой растёт как корень из времени, и вдвое больший слой требует вчетверо большей выдержки.

Стали под цементацию

Цементуют стали с низким содержанием углерода — по лекциям ТПУ до 0,25 %. По пособию ЛГТУ цементуемые легированные стали бывают низколегированными (до 2,5 % легирующих) и среднелегированными (2,5–10 %); после цементации, закалки и отпуска они дают 58–63 HRC на поверхности при вязкой сердцевине.

Углеродистые стали 10 и 20 годятся для деталей без высоких требований к сердцевине — о них в статье «Стали 10 и 20». Для нагруженных деталей берут легированные стали. ГОСТ 21354-87 (таблица 14) группирует цементуемые стали для зубчатых колёс так:

Значения 57…63 HRC стандарт даёт при контролируемом углеродном потенциале, 56…63 HRC — без него.

Режимы контрольных образцов в ГОСТ 4543-2016 (таблица 8) у этих марок похожи на схему термообработки после цементации: у 12ХН3А — закалка с 860 °C, вторая закалка с 760–810 °C и отпуск при 180 °C, у 20Х — с 880 и 770–820 °C и отпуск 180 °C, у 18ХГТ — нормализация, закалка с 870 °C в масле и отпуск при 200 °C.

Закалка и отпуск после цементации

Схему выбирают по стали и назначению. По лекциям ТПУ:

1. Однократная закалка с 820–850 °C — для наследственно мелкозернистых сталей и неответственных деталей. После газовой цементации детали подстуживают до этой температуры и закаливают прямо из печи, без повторного нагрева.
2. Двойная закалка — для особо высоких требований. Первая закалка или нормализация с 880–900 °C исправляет структуру сердцевины, вторая с 760–780 °C даёт мелкоигольчатый мартенсит в слое.
3. Низкий отпуск при 150–180 °C завершает обработку всегда: в слое получается мартенсит отпуска, частично снимаются напряжения.

Из-за высокой температуры процесса и закалки деталь коробится. Поэтому по лекциям ТПУ её цементуют почти готовой, с припуском под шлифование, а точные поверхности доводят после отпуска — о шлифовании в статье «Шлифование круглое и плоское».

Эффективная толщина слоя: 550 HV

Глубину слоя можно определять по-разному. В лекциях ТПУ глубина цементации — расстояние до середины зоны, где в структуре поровну феррита и перлита; при этом h обычно 1…2 мм. Для закалённых деталей чаще нужна эффективная толщина — до той глубины, где слой ещё достаточно твёрд.

ISO 18203 (редакция 2016 года заменила ISO 2639, в 2026 году вышла новая редакция) определяет CHD — расстояние от поверхности до слоя с твёрдостью 550 HV. Национального ГОСТ, идентичного этому стандарту, мы не нашли.

Порог 550 HV годится, если на расстоянии трёх CHD от поверхности твёрдость ниже 450 HV — то есть сердцевина заметно мягче слоя. Если сердцевина твёрже, по соглашению сторон берут больший порог с шагом 25 HV.

Пример. На поперечном шлифе на глубине 0,8 мм — 580 HV, на 0,9 мм — 530 HV. Интерполируем: CHD = 0,8 + 0,1 · (580 − 550) / (580 − 530) = 0,86 мм. Для требования «h 0,7 … 0,9 мм» при понимании h как CHD деталь годна.

Как мерить по ISO 18203: поперечный шлиф с хорошей сохранностью кромки, отпечатки Виккерса по линии, перпендикулярной поверхности, в полосе шириной 1,5 мм. Нагрузка обычно 0,9807–2,942 Н, первый отпечаток — не ближе 2,5 диагонали от края, шаг — не более 0,1 мм по глубине, не меньше трёх диагоналей между отпечатками. Замеры делают в двух полосах и более. Общую толщину THD — до твёрдости или структуры сердцевины — определяют по профилю твёрдости или по микроструктуре, и она больше CHD.

Как указать на чертеже и защитить места

ГОСТ 2.310-2022 даёт пример записи в технических требованиях: «Цементировать h 0,7 … 0,9 мм; 58 … 62 HRC». Если упрочняется не вся деталь, участок отмечают штрихпунктирной утолщённой линией на расстоянии 0,8–1 мм от контура, а показатели пишут на полке линии-выноски. Можно и наоборот: «… кроме поверхности А». При необходимости в зоне показывают место испытания твёрдости.

Участки, которые науглероживать нельзя, по лекциям ТПУ заранее покрывают электролитической медью или глиняной смесью. Какие именно участки защищать, конструктор показывает на чертеже, способ защиты согласуют с цехом.

Что ещё указать в заказе: марку стали и сертификат, какую глубину понимать под h (CHD по ISO 18203 или общую), твёрдость сердцевины, если она важна, число и место контрольных замеров, нужен ли образец-свидетель из той же плавки. Как это оформить — в статье «Как составить заявку на механообработку».

Цементация, азотирование или ТВЧ

Когда что выбирать:

• цементация — глубокий твёрдый слой на вязкой сердцевине при ударных и контактных нагрузках: зубчатые колёса, червяки, оси, ролики;
• азотирование — точные детали, где коробление недопустимо, нужна износостойкость и стойкость к задирам, в том числе при нагреве: шпиндели, гильзы, ходовые винты;
• ТВЧ — местное упрочнение деталей из средне-углеродистой стали в серии: шейки валов, зубья, направляющие.

Подробнее — в статьях «Закалка ТВЧ» и «Азотирование стали», общая картина термообработки — в статье «Термообработка стали».