Что такое цементация металла: что это такое, сущность процесса

alexxlab | 12.12.1994 | 0 | Разное

Цементация стали: цель, технология процесса, режимы

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.

Цементация стали

Содержание

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:

2СО=СО2+С

СН4=2Н2+С

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:

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.

особенности технологии и марки стали для цементации

Цементация (науглероживание) – разновидность химико-термической обработки стали, целью которой является насыщение поверхностного слоя углеродом при повышенных температурах в карбюризаторе. Для достижения требуемых свойств готового продукта после процесса цементации проводят закалку с низким отпуском. Назначение этого вида ХТО – получение твердого, износостойкого поверхностного слоя.

Стали под цементацию

Этот вид химико-термической обработки применяют для:

• низкоуглеродистых сталей с содержанием C 0,1-0,18%;
• низкоуглеродистых легированных сталей;
• среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,2-0,3%, если из них изготовлены крупногабаритные детали (сердцевина сохраняет высокую вязкость, а поверхность приобретает твердость).

Технология цементации стали

На ХТО деталь поступает после механической обработки. Часто требуется упрочнить не всю поверхность заготовки, а часть. В этом случае на участки, которые не нуждаются в упрочнении, электролитическим способом наносят тонкий слой меди или защищают их обмазками. Для изготовления обмазок используют огнеупорную глину, асбест, песок, жидкое стекло. Существует несколько видов цементации стали.

С использованием твердого карбюризатора

В этом случае источником атомарного углерода является древесный уголь и активизаторы – кальцинированная сода и углекислый барий. Подготовленные детали укладывают в сварные стальные или литые чугунные ящики. В ящик, который может быть круглым или прямоугольным, укладывают древесный угль слоем толщиной 2-3 см, затем первый ряд заготовок с отступом между ними и стенками емкости. Так повторяется столько раз, сколько предусмотрено технологией. Слой карбюризатора между рядами заготовок – 1-1,5 см. Верхним является слой карбюризатора толщиной 3,5-4,0 см. Емкость закрывают крышкой, все зазоры замазывают огнеупорной глиной или глиной с песком.

Цементация осуществляется в печи при температурах +910…+930°C. Время нахождения деталей в печи рассчитывается следующим образом: 7-9 минут на каждый сантиметр наименьшего размера емкости. О качественном прогреве можно судить по состоянию подины печи. Если на ней отсутствуют темные пятна в местах соприкосновения с тарой, то нагрев можно заканчивать. После печи ящик в закрытом виде охлаждают на воздухе до +400…+500°C, а затем его открывают.

Газовая цементация

Этот процесс отличается более высокой производительностью, по сравнению с вышеописанным, поэтому такая технология востребована на промышленных предприятиях при массовом производстве.

Преимущества газовой ХТО:

• возможность контроля концентрации углерода в поверхностном слое;
• сокращение длительности обработки из-за отсутствия необходимости в прогреве емкости;
• возможность полной автоматизации;
• значительное упрощение финишной термообработки, так как закалку производят прямо из цементационной печи.

Оптимальные характеристики – твердость и износостойкость – обеспечивает цементация в природном газе, состоящем из метана, пропанбутановых смесей, жидких углеводородов. Процесс проходит при температурах +910…+930°C в печах шахтного типа, время обработки обычно составляет 6-12 часов.

Науглероживание также может производиться в растворах электролитов, кипящем слое, пастообразных составах.

Что такое науглероживание? – Определение из Corrosionpedia

Последнее обновление: 14 января 2018 г.

Что означает науглероживание?

Науглероживание — это процедура, при которой металлические поверхности упрочняются, а металл под ними остается мягким. Это приводит к образованию более тонкого и твердого слоя металла, известного как поверхностный слой.

Науглероживание обычно выполняется после того, как деталь была сконструирована до ее окончательной формы. Это также может помочь сделать содержимое элемента более жестким, например, в случае сварки по образцу.

Этот метод очень полезен для предотвращения коррозии в отраслях, где используются металлы.

Науглероживание также известно как поверхностное упрочнение, поверхностное упрочнение или науглероживание.

Реклама

Corrosionpedia объясняет науглероживание

В процессе науглероживания используется тепло, при котором сталь или железо поглощают большое количество углерода. Это происходит, когда металл подвергается нагреву в присутствии материалов, содержащих углерод, таких как монооксид углерода и древесный уголь. Цель этого процесса – сделать металл более твердым и управляемым.

Твердость стали с низким содержанием углерода можно повысить за счет добавления углерода при определенной форме термической обработки. При успешном выполнении это может улучшить поверхностную твердость стали.

Современные методы науглероживания включают применение углеродсодержащей плазмы и газов, таких как метан и двуокись углерода. Наиболее типичное применение происходит при низких давлениях в вакуумных камерах.

Развитие этого процесса принесет пользу предприятиям благодаря эффективному способу повышения коррозионной стойкости металлов. Это также может повысить коррозионную стойкость материалов за счет закалки и упрочнения, что еще больше повышает коррозионную стойкость.

Реклама

Синонимы

Упрочнение поверхности, науглероживание

Поделись этим термином

Связанные термины

• Коррозия
• Процесс сварки
• Цементация
• Науглероживающее пламя
• Газовая цементация

• Аустенитизация
• Сухая коррозия
• Высокотемпературная коррозия
• Нитроцементация
• Газовая нитроцементация

Похожие материалы

• Понимание науглероживания: положительное и отрицательное влияние на металлы
• Азотирование для коррозионной стойкости и износостойкости
• Защита от коррозии и облегчение транспортных средств
• Оценка стресс-коррозии и смягчение последствий в подземных трубопроводах
• Коррозия нафтеновой кислотой, бич нефтеперерабатывающего завода
• Тугоплавкие металлы: свойства, типы и применение

Теги

Коэффициент твердостиКоррозияМодификация поверхностиИстираниеЗащита от истиранияМодификация материала

Актуальные статьи

Покрытия

5 наиболее распространенных типов металлических покрытий, о которых должен знать каждый

Покрытия

4 типа покрытий для бетонных полов (и что следует знать о каждом)

Коррозия

21 Типы коррозии и разрушения труб

Научные свойства

6 способов измерения вязкости жидкости

Что такое науглероживание/карбонитрирование?

Науглероживание представляет собой термохимический процесс, при котором углерод диффундирует в поверхность низкоуглеродистой стали для увеличения содержания углерода до уровня, достаточного для того, чтобы поверхность поддавалась термообработке и образовывала твердый износостойкий слой.

Обычно используются три типа науглероживания:

• газовое науглероживание
• жидкое науглероживание (или цианирование)
• твердый (пакет) науглероженный

Все три процесса основаны на превращении аустенита в мартенсит при закалке. Увеличение содержания углерода на поверхности должно быть достаточно высоким, чтобы получить мартенситный слой с достаточной твердостью, обычно 700HV, чтобы обеспечить износостойкую поверхность. Требуемое содержание углерода на поверхности после диффузии обычно составляет от 0,8 до 1,0%С. Эти процессы могут быть проведены с широким спектром простых углеродистых сталей, легированных сталей и чугунов, где объемное содержание углерода составляет не более 0,4% и обычно менее 0,25%. Неправильная термическая обработка может привести к окислению или обезуглероживанию. Несмотря на относительно медленный процесс, науглероживание может использоваться как непрерывный процесс и подходит для поверхностного упрочнения в больших объемах.

 

Газовая цементация

При газовой цементации компонент выдерживается в печи, содержащей атмосферу метана или пропана с нейтральным газом-носителем, обычно смесью N ₂ , CO, CO ₂ , H ₂ и CH ₄ . При температуре науглероживания метан (или пропан) разлагается на поверхности детали на атомарный углерод и водород, при этом углерод диффундирует на поверхность. Температура обычно составляет 925°C, а время науглероживания колеблется от 2 часов для гильзы толщиной 1 мм до максимум около 36 часов для гильзы толщиной 4 мм. Закалочной средой обычно является масло, но может быть вода, рассол, каустическая сода или полимер.

 

Жидкое науглероживание (или цианирование)

Жидкостное или цианидное науглероживание проводят путем помещения детали в соляную ванну при температуре от 845 до 955°С. Соль обычно представляет собой смесь цианида, хлорида и карбоната и очень токсична. Соли цианидов вносят небольшое количество азота в поверхность, что дополнительно повышает ее твердость. Хотя это самый быстрый процесс науглероживания, он подходит только для небольших партий.

 

Твердые (пакетные) науглероженные

При сплошном или пакетном науглероживании компоненты окружены науглероживающей средой и помещены в герметичную коробку. Средой обычно является кокс или древесный уголь, смешанный с карбонатом бария. Этот процесс на самом деле представляет собой науглероживание газа, поскольку образующийся CO диссоциирует на CO

2 и углерод, который диффундирует на поверхность компонентов. Температура обычно составляет от 790 до 845 ° C в течение времени от 2 до 36 часов. Науглероживание с науглероживанием является наименее сложным процессом науглероживания и поэтому остается широко используемым методом.

 

Нитроцементация

Нитроцементация применяется для аналогичного ряда сталей, хотя объемное содержание углерода может достигать 0,4–0,5%.