Цементация стали

Цементация металла – это вид термообработки металлов с применением дополнительного влияния химии. Атомарный углерод внедряется в верхний слой, таким образом его насыщая. Изобилие стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Процесс цементации

Целью цементация стали считается увеличение рабочих свойств детали. Они обязаны быть твёрдыми, устойчивыми к износу с наружной стороны, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.

Для достижения данных требований требуется большая температура, среда, выделяющая свободный углерод. Процесс цементации используем к сталям с содержанием углерода не более 2-ух десятых долей процента.

Для науглероживания слоя поверхности с наружной стороны, детали греют с применением печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При подобной температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решётки стали.

Цементация деталей очень длинный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Легко подсчитать, что требуемый для долгой эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.

Воздействие на глубину слоя длительности цементации

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

Технологически цементация сталей изготавливается в различных средах, которые называют карбюризаторами. Среди них выделяют:

• твёрдую среду;
• жидкую среду;
• газовую среду.

Верхний слой, получаемый цементацией

Стали под цементацию в большинстве случаев берутся легированные либо же с невысоким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и аналогичные им.

Способы цементации

Цементация стала широко распространена во время обработки зубчатых колес и остальных деталей, работающих при ударных нагрузках. Высокая твердость поверхностей для работы обеспечивает длительный рабочий срок, а достаточно вязкая середина позволяет возместить ударные нагрузки.

Разработаны очень много вариантов науглероживания. Очень часто применяются такие:

• в твёрдой обстановке;
• в жидкости;
• в газе;
• в вакууме.

Как происходит процесс цементации с применением твёрдой среды

В качестве твёрдого карбюризатора берется смесь кокса (береза, дуб) и соли угольной кислоты с кальцием и прочими щелочными металлами. Кол-во кокса достигает 90%. Для приготовления смеси элементы дробятся с целью улучшения выхода углерода. Размер частиц не должен быть больше 10 мм. Также не должно быть микроскопических частив в виде пыли и крошек, по этому смесь просеивается.

Цементация стали в твёрдой обстановке

Для получения готовой смеси пользуются двумя вариантами. Первый – соль с углем в сухом состоянии тщательно смешивается. Второй способ – из соли получают раствор. Для этого ее разводят в водной массе, а после этого данным раствором хорошо смачивают кокс. Перед помещением в печь уголь сушат. Его влажность не должна быть больше 7%. Получение карбюризатора последним способом намного лучше.

Смесь насыпается в ящики. После этого в них помещают детали. Чтобы исключить оттока газа, получаемого во время нагрева, ящики подвержены герметизации. Плотно закрывающую крышку дополнительно замазывают шамотной глиной.

Ящики выбираются все зависит от формы детали, их количества и объема засыпанной смеси. В большинстве случаев они могут быть прямоугольными и округлыми. Материалом для производства ящиков может послужить сталь как огнеупорная, так и низкоуглеродистая.

Тех. процесс цементации стали можно представить в такой последовательности:

• Детали, предназначающиеся под цементацию, закладываются в ящики из металла, при этом одинаково пересыпаются угольным составом.
• Ящики покрываются герметиком и подаются в заблаговременно нагретую печь.
• Сначала выполняется прогрев до температурных показаний порядка 700С — 800С.
• Контроль прогреваемости выполняется зрительно. Ящики и подовая плита имеют одинаковый цвет без затемненных пятен.
• Дальше температуры в печи делают больше до требующихся 850С 950С. В этом диапазоне происходит диффузия внедрения атомов углерода.
• Продолжительность выдерживания деталей в печи зависит от необходимой толщины слоя.

Как происходит процесс цементации в газовой обстановке

Цементация стали в обстановке газов выполняется при массовом выпуске деталей. Глубина цементации не превышает 2-х мм. Применяемые газы – естественные или искусственные газы, содержащие углерод. В большинстве случаев применяется газ, получающийся при распаде нефтепродуктов.

Цементация стали в газовой обстановке

Его получают во многих случаях нагреванием керосина. Больше половины газа подвергают вариации, его крекируют.

Энергичный углерод при этом способе обработки выходит при распаде, и формула имеет следующий вид:

Если газогенераторный газ применялся без модифицированного, то в результате обогащенный слой металла будет недостаточным. Более того газогенераторный газ создаёт обильную сажу.

Печи для этого варианта цементации обязаны быть герметичными. В большинстве случаев пользуются стационарными печами, но как вариант методическими.

Цементацию стали и тех. процесс можно представить в такой последовательности:

Подвергаемые цементации изделия помещаются в печь. Температура подымается порядка 910С — 950С. Выполняется газоподача в печь. Выдержка в газовой обстановке установленное время.

Продолжительность термического влияния составляет 15 часов при температуре в 920С с получаемым слоем 1,2 мм. Для ускорения процесса производства температуру поднимают. Уже при 1000С получить аналогичный науглероженный слой возможно за 8 часов.

В наши дни большое применение отыскал способ проведения процесса в эндотермической обстановке. Во время энергичного науглероживания в газовой обстановке поддерживается существенный потенциал углерода за счёт введения сетевого газа (пропана, бутана или метана). На данный этап концентрация газ из нефтепродуктов ставится на уровне 1%.

Процесс проведения цементации в жидкой обстановке

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

Цементация стали в жидкой обстановке

Цементация в жидкой обстановке выделяется маленьким сочным слоем, который не превышает 0,5 мм. Исходя из этого времени занимает до 3 часов. Среди плюсов необходимо отметить: отделанные детали имеют несущественную деформацию, а еще возможна закалка без промежуточного этапа.

Как происходит процесс цементации в вакууме

Недостаточное давление, создаваемое в печи, существенно сокращает Время проведения обработки. Цементацию стали и тех. процесс можно представить в такой последовательности:

• При этом методе детали помещаются в холодную печь.
• После герметизации камеры нагрева в ней создается вакуум.
• После делают нагрев до необходимой температуры.
• Выполняется выдержка, какая занимает до часа по времени. По прошествии этого времени выравнивается температура и с поверхности нагретых деталей осыпаются загрязнения, мешающие науглероживанию.
• После подается в камеру углеводородный газ под давлением. Благодаря чему происходит энергичная фаза обогащения слоя поверхности.
• На другом шаге происходит диффузионное внедрение углерода. На данном шаге в камере снова делают вакуумическое давление.
• Очень быстро не выходит необходимого науглероженного слоя, по этому процесс повторяют до той поры, пока не выйдет требуемая глубина. В большинстве случаев результат выходит за три стадии.
• Охлаждение до температуры воздуха происходит в печи под воздействием благородных газов под различным давлением.

Печь для вакуумной цементации

Процесс полностью компьютеризирован. За газоподачей, температурой, давлением наблюдает программа, которая отвечает за весь тех. процесс. Среди плюсов необходимо отметить:

• управление количества углерода;
• отсутствие кислорода предохраняет образование окислов;
• газ проникает даже в отверстия очень маленького диаметра;
• чередование процессов происходит при равных условиях;
• полная автоматизация; сокращенные сроки.

Процесс проведения цементации пастами

При изготовлении разовых работ целесообразнее пользоваться пастами для проведения цементации. В составе пасты находятся: копоть с пылью кокса. Толщина слоя наносимой пасты должна быть в восемь раз увеличена для получения необходимого сочного слоя.

После нанесения состав высушивается. Для процесса цементации применяются электромеханические высокочастотные печи. Температура проведения процесса может достигать 1050С.

Как происходит процесс цементации в электролитическом растворе

Процесс в большинстве случаев схож с гальваническим покрытием. В нагретый раствор электролита помещается заготовка. Подведенный ток вызывает получение энергичного углерода и содействует его проникновению в поверхность стальной заготовки.

Именно так подвергают отделке детали, имеющие маленький размер. Параметры для прохождения цементации: напряжение тока – 150-300В, температура 450-1050С.

Свойства металла после обработки

В результате проведения цементации твердость науглероженного слоя может достигать: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Долгое нахождение стали при больших температурных значениях, вызывает изменение структуры металла.

Структура стали после цементации

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

Закалка выполняется при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счёт получения перлитового песка и феррита.

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

Режимы термообработки стали после цементации

В качестве последней фазы проводят низкотемпературный отпуск, который дает возможность удалить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.

Минусы цементации

Как было выше сказано главным минусом после цементации остается изменение структуры металла. Поэтому требуется повторная обработка, что делает больше время и так продолжительного процесса цементации.

Для выполнения работ требуется обученый и очень квалифицированный персонал. Из минусов необходимо отметить необходимость подготовки карбюризатора.

Напоследок необходимо выделить, что цементация дает возможность применять, стали с невысоким содержанием углерода для производства ответственных деталей с долгим эксплуатационным сроком, что существенно уменьшает итоговую цену.

Для защиты поверхностей, не приготовленных под цементацию, пользуются пастами, намеднением или укладывают увеличенные допуски под обработку.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.