Цементация что это: зачем нужна и как проводится на примере втулок «Профессионала»

Цементация стали | Полезные статьи о металлопрокате

  • Особенности процесса

  • Методы науглероживания

    • Цементация в «жидкой» среде

    • Цементация газом

    • Цементация в вакууме

    • Цементация в растворе электролита

    • Науглероживание с использованием твердой среды

    • Цементация с использованием паст

  • Преимущества и недостатки

  • Обогащение металла в домашних условиях

  • Что же в результате?

Цементация стали – термическая обработка металла, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя обрабатываемого материала углеродом. Цементация направлена на изменение свойств стали, что дает возможность получать металлы желаемой прочности. Цементация проводится на низкоуглеродистых сталях (с содержанием углерода до 0,25%) для изменения свойств поверхностного слоя материала на дальнейших этапах обработки, например, для увеличения его твердости и устойчивости к абразивному износу, при этом, сердечник металла остается мягким и гибким. Содержание углерода в зоне цементации увеличивается до 1–1,3%, а глубина чаще всего составляет 0,5–2 мм. Чаще всего для цементации используются стали различного легирования с процентным содержанием углерода не более 0,3%.

Особенности процесса

Цементация стали представляет собой термический процесс, который имеет множество особенностей:

  • Сталь может обрабатываться в твердой, газовой или жидкой среде.

  • При равномерном нагревании в одной из этих сред поверхностные свойства стали изменяются – благодаря проникновению в металл углерода повышается его прочность и твердость, улучшается устойчивость к износу.

  • Науглероживание легированной стали может проводиться при разных температурах. Так, если цементация происходит на производстве, манипуляции проводят при температуре до 1200 градусов Цельсия. Если цементацию стали проводят в домашних условиях, оптимальная температура нагрева составляет 500 градусов. Так как в процессе равномерного разогревания изменяется атомная решетка стали, ее поверхность получает аналогичные повторной закалке характеристики.

  • Стали, используемые для науглероживания, часто содержат хром, который предотвращает перегрев и увеличивает прочность сердечника.

Можно сказать, что науглероживание в какой-то мере идентично закалке, однако в процессе ее проведения сталь становится более твердой, и приобретает высокие эксплуатационные характеристики.

Проводя цементацию стали в домашних условиях, не стоит ожидать быстрого итога, так как максимальная скорость процесса составляет около 0,1 в час, соответственно, чтобы провести науглероживание обычного кухонного ножа с целью упрочнения его характеристик (оптимальный размер упрочнения — 0,8 мм), нужно потратить не меньше 8 часов.

Методы науглероживания

Существует несколько методов цементация стали, некоторые из которых сегодня практически не применяются.

    Цементация в «жидкой» среде.

Выполняется путем погружения заготовок в расплавленные соли, которые представляли собой смесь хлоридов, карбонатов или цианидов щелочных металлов. Процесс проводится в следующем порядке:

  • Ванны с расплавленными солями нагреваются до температуры 850 градусов.

  • Стальные заготовки опускаются в ванны и оставляются там до завершения науглероживания.

Максимальная толщина слоя цементируемой в жидкой основе стали, составляет 0.5 мм – это приблизительно три часа.

  • Цементация газом

    • Проходит при температуре около 920–950 градусов Цельсия в атмосфере окиси углерода. Науглероживающие газы очищаются, чтобы предотвратить отложение сажи на поверхности стали, которая может препятствовать поглощению углерода. Газовую среду используют при изготовлении двигателей. В процессе производства происходит обогащение стали углеродом вглубь на 2 мм. Процесс обогащения можно разделить на несколько этапов:

    • Помещение заготовок в печь, разогретую до температуры 950 градусов.

    • Подача насыщенного углеродом газа.

    • Выдерживание металлических заготовок на протяжении 12 часов, в результате чего на поверхности стали образуется слой, толщиной до 1,2 мм. Для ускорения процесса температуру печей могут повышать более 1000 градусов.

  • Цементация в вакууме

    • Науглероживание, которое заключается в нагреве стали в вакуумной среде. Процесс обработки проходит следующим образом:

    Заготовки из стали укладываются в печь, внутри которой создается вакуумная среда.

    Печь разогревается до заданной температуры, при которой заготовки выдерживаются около часа. После этого в печь начинает поступать углеводородный газ, который и обогащает верхние слои металла.

    Далее в печи снова создается вакуумная среда.

    Слой необходимой толщины можно получить только после проведения трех аналогичных стадий.

    Охлаждение стали проходит также в печи под воздействием инертных газов.

  • Цементация в растворе электролита

    • Заготовки помещаются в электролитный раствор, который нагревается до температуры 450 – 1000 градусов, после чего в него подают напряжение до 300 вольт. В ходе такого воздействия метал обогащается углеродом.

  • Науглероживание с использованием твердой среды

    • С этой целью используется твердый карбюризатор. При цементации в условиях производства используется смесь древесного угля, который получают из березы и дуба, и соль угольной кислоты, насыщенную щелочными металлами. Чтобы процесс обогащения проходил быстрее, смесь дробится до состояния мелкой фракции, размером в 10 мм. Процесс проводится в следующей последовательности:

    • Подготовленную угольную смесь засыпают в ящики, куда укладывают и заготовки.

    • Проводят герметизацию ящиков, которые потом на протяжении определенного периода прогревают со всех сторон до температуры 800 – 950 градусов.

    Длительность обработки зависит от того, какая твердость должна быть предана заготовкам из стали.

  • Цементация с использованием паст

    • Пасты, состоящие из пыли древесного угля, наносят на заготовки, после чего их помещают в индукционную печь, которая прогревается до температуры 1000 градусов. Паста наносится слоем, превышающим в 8 раз толщину предполагаемого углеродного слоя.

    Преимущества и недостатки

    Науглероживание позволяет получить твердые, износостойкие поверхности, применяемые как в быту, так и на производстве. Механизмы из стали, прошедшие процесс обогащения углеродом, гораздо сильнее защищены от повреждений из-за ударной нагрузки при более мягком сердечнике. В отличие от других процессов поверхностного упрочнения, этот процесс обычно используется для получения большей толщины углеродной пленки. К недостаткам можно отнести:

    • Возможное изменение структуры металла.

    • Науглероженные изделия нуждаются в финишной обработке.

    • Для проведения работ требуется опыт и весьма дорогое оборудование.

    Обогащение металла в домашних условиях

    Для проведения работ в домашних условиях используется твердая среда. Науглероживание с применением твердой среды не нуждается в приобретении дорогостоящего оборудования и присутствии мастера с опытом работы в данной области. Чтобы провести цементацию, необходимо сделать карбюризатор. Для этого можно:

    1. Смешать древесный уголь (измельчив его до примерно одинаковых частиц) с одинаковым количеством соли.

    2. Древесный уголь изначально поливается соленой водой и просушивается.

    Заготовки запекаются в жаропрочных ящиках, места соединений и щели которых герметизируются глиной. Ящики устанавливаются в печь, и равномерно нагреваются до температуры 700 градусов. При более низких температурах процесс обогащения увеличивается в несколько раз.

    Что же в результате?

    В результате науглероживания плотность верхнего слоя металла (нелегированные сплавы) достигает до 58 HRC, а на низкоуглеродистых сплавах – до 60 HRC. В результате изделия приобретают нужную твердость, а их сердечник остается вязким. При этом стоит учитывать, что в процессе обогащения может измениться структура сплава, и это является, как упоминалось выше, главным недостатком цементации. Чтобы нивелировать данное свойство, науглероженные заготовки подвергают закалке с последующим отпуском либо нормализацией (зависит от типа стали). В процессе закалки происходит образование феррита, что приводит к измельчению зерновой структуры. Чтобы избежать поверхностных деформаций, проводят низкотемпературный отпуск сплава.

    Мягкие стальные сплавы, подвергнутые науглероживанию, имеют твердую поверхность и мягкий сердечник. Это означает, что цементированная низкоуглеродистая сталь тверже, но не является хрупкой. Сердечник в значительной степени сохраняет свою пластичность и прочность, будучи защищенным твердой поверхностью, при этом он позволяет изготавливать детали даже очень сложных форм (к примеру, внутренние компоненты машин).

    Усиленная поверхность показывает лучшую устойчивость к износу и усталости – металлы, прошедшие науглероживание, способны выдерживать высокие нагрузки и служат гораздо дольше.

    Цементация сталей

    Цементация – это насыщение поверхностного слоя изделия углеродом с целью повышения твёрдости и износостойкости при сохранении вязкости сердцевины.

    Температуру для цементации заготовки выбираю исходя из того, насколько требуется её науглероживание. Она колеблется в диапазоне 800-950 градусов цельсия.

    Для науглероживания металла на 0,1 мм требуется примерно 1 час.

    Цементации обычно подвергаются легированные стали и стали с содержанием углерода до 0,25%

    Глубина цементированной зоны составляет 0,3-2,5 мм, но для достижения оптимальных свойств сталь цементируют примерно на 1,5-2,6 мм.

    На рис. 1 представлено схематическое изображение цементированной стали.

    Цементацию производят в твёрдой, газообразной и жидкой среде.

    Для цементации в твёрдой среде используют карбюризаторы (углеродосодержащие вещества). Они способны отдавать углерод материалам, которые расположены рядом, но для этого необходима высокая температура.

    Наиболее простыми и популярными карбюризаторами являются дубовый и берёзовый уголь.

    Уголь дробится на мелкие фракции, размер которых не должен превышать 10мм. После измельчения уголь смешивают с солью угольной кислоты из любого металла щелочной группы

    Рис. 1. Структура цементированной стали

    . Процентное содержание угля в составе должно быть около 90%.

    Существуют два способа приготовления рабочей смеси:

    1. Уголь перемешивают с солью для более качественной цементации.

    2. Уголь пропитывают соляным раствором и высушивают. Данный способ приготовления смеси более эффективен.

    Процесс цементации стали можно представить в следующем виде:

    • Цементируемые детали помещают в железный ящик с угольным составом;

    • Герметизированный ящик подают в заранее подогретую до 700-800 градусов цельсия печь;

    • Далее температуру в печи увеличивают до 800-950 градусов цельсия. При данной температуре происходит внедрение атомов углерода в заготовку;

    • Длительность выдерживания зависит от толщины, которая требуется.

    На рис. 2 представлено схематическое изображение цементационного ящика с заготовками.

    Рис. 2. Цементационный ящик с деталями

    Жидкая среда – это раствор карбонатных солей щелочных металлов с низкой температурой плавления.

    В данном методе температура, в которой происходит цементация, составляет 850 градусов цельсия. Деталь погружают в раствор и выдерживается около трёх часов.

    Данный метод отличается сравнительно небольшим насыщенным слоем, не превышающим 0,5 мм.

    Достоинством данного метода является то, что обработанные детали имеют незначительную деформацию, а также возможна их закалка без промежуточного этапа, нельзя не учитывать то, что данный метод обеспечивает высокую скорость реакции и равномерное покрытие стали.

    На рис. 3 мы видим деталь, опущенную в рабочий раствор.

    Рис. 3. Цементация металла в жидкой среде

    Цементацию в газовой среде применяют в массовом производстве деталей.

    При таком виде обработки углерод не проникает глубже 2 мм.

    Рабочим веществом служат искусственные или природные газы с высоким содержанием углерода.

    Для получения насыщенного слоя глубиной 1,2 мм требуется 15 часов при температуре 900 градусов цельсия.

    Технологический процесс цементации стали можно представить в следующем виде:

    • Изделие, подвергаемое цементации, помещается в печь.

    • Температура в печи поднимается до 910-950 градусов цельсия.

    • Производится подача газа в печь.

    • Выдержка изделия в газовой среде.

    Для ускорения процесса температуру могут поднимать, так при увеличении температуры до 1000 градусов цельсия, можно получить науглероженный слой 1,2 мм за 8 часов.

    На рис. 4 изображен схематический процесс цементации стали в газовой среде.

    Рис. 4. Схема процесса газовой цементации

    Таким образом, ознакомившись с процессом цементации более детально, можно сделать вывод, что цементация является самой важной составляющей в процессе обработки сталей.

    Определение

    в кембриджском словаре английского языка

    В конечном итоге это поможет им разработать механистические модели для прогнозирования ползучести и идентификации цементирующих агентов с пониженной чувствительностью к ползучести.

    Из Phys.Org