Что такое цементация стали
Цементация стали
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.
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:
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:
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:
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:
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:
Печь для вакуумной цементации
Процесс полностью компьютеризирован. За подачей газа, температурой, давлением следит программа, отвечающая за весь технологический процесс. Среди достоинств следует отметить:
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.
Сущность и назначение процесса цементации стали
Цементация стали: назначение и особенности процесса. Способы обработки поверхности металла. Возможность выполнения работ в домашних условиях. Свойства поверхности после обработки.
Цементация стали – это высокотемпературный процесс, сопровождающийся насыщением поверхности атомарным углеродом. В результате повышаются качественные характеристики верхнего слоя изделия, в частности крепость, что увеличивает стойкость к различным нагрузкам. Метод начал применяться еще с середины девятнадцатого века: сталь производили путем сквозной цементации железа.
По технологии обработки цементация схожа с азотированием, с одним отличием – вторая технология насыщает верхний слой азотом, придавая обработанным изделиям антикоррозийные свойства. Азотирование применяют при работе со сталью, содержащей такие элементы, как хром, алюминий, титан и другие. Это связано с тем, что соединения данных металлов отличаются прочностью и высокой устойчивостью к температурным воздействиям.
Существуют несколько способов цементации стали. Некоторые из них пригодны для применения в домашних условиях. Все это будет рассмотрено в данной статье.
Сущность и назначение процесса цементации
Цементация металла – одна из разновидностей химико-термической обработки поверхностей наряду с азотированием, цианированием и алитированием. Сущность и ее назначение заключаются в диффузионном насыщении поверхности заготовки атомами углерода. В результате повышаются следующие характеристики:
Температуру цементации выбирают исходя из требуемой степени науглероживания заготовки. Она находится в диапазоне от 800 до 950 °C. Технологию применяют для обработки низкоуглеродистой или легированной стали. Это связано с тем, что внутренняя часть детали должна оставаться вязкой после закалки. Глубина насыщенного слоя может достигать 2,5 мм в зависимости от интенсивности воздействия.
Высокая температура необходима для активизации углерода, который играет ключевую роль в цементации. В этом случае он легко проникает в межкристаллическое пространство стали и усваивается там.
Технология отличается низкой скоростью взаимодействия стали с углеродом. Для получения слоя толщиной 0,1 мм требуется в среднем один час. Примечательно, что процесс имеет прямую зависимость: глубина цементации не влияет на время обработки.
Методы цементации металлов и сплавов
Вышеперечисленные методы отличаются технологией и глубиной насыщения. Рассмотрим их подробнее.
Цементация с использованием твердой среды
Для цементации стали по данной технологии используют специальные углеродсодержащие вещества, которые называются карбюризаторами.
Карбюризаторы способны отдавать углерод материалам, расположенным по соседству. Для этого необходима высокая температура.
Наибольшей популярностью пользуются следующие карбюризаторы:
Иногда применяют их смесь. Для работы уголь дробится на фракции, размер которых не должен превышать 10 мм. После этого он смешивается с солью угольной кислоты из любого металла щелочной группы. Массовая доля угля в составе, как правило, достигает 88–90%. Перед применением смесь просеивают с целью удаления наиболее мелких фракций вроде пыли и крошек.
Последний способ считают наиболее эффективным для качественной модификации стали.
Процесс насыщения поверхности углеродом выглядит следующим образом:
Процесс цементации в газовой среде
Для получения газа используют керосин ввиду неустойчивости углерода в его составе. Часть газа подвергают модификации для увеличения глубины проникновения.
Как и в предыдущем способе, для обработки используют специальные, герметично закрытые печи.
Технология отличается длительным процессом обработки. Для получения насыщенного слоя стали глубиной 1,2 мм необходимо 15 часов при 900 °C. Для ускорения реакции необходимо повысить температуру.
Современные предприятия проводят обработку с применением горючих природных газов, которые поддерживают углеродный баланс внутри печи.
Проведение цементации в жидкой среде
Достоинства данного метода – высокая скорость реакции и равномерное покрытие поверхности стали. Недостатком является глубина проникновения углерода – до 0,5 мм.
Цементация в вакууме
Из достоинств необходимо выделить полное отсутствие кислорода, что повышает качество обработки.
Способы цементации пастами
В электролитическом растворе
Данный метод обработки стали имеет сходство с гальванизацией. Процесс проходит в растворе электролита, в котором под действием электричества образуются свободные атомы углерода. Температуру и напряжения устанавливают в зависимости от необходимой глубины проникновения.
Можно ли цементировать сталь в домашних условиях
В случае необходимости можно цементировать металл в домашних условиях. Как правило, для этих целей выбирают технологию обработки в твердой среде. Время насыщения может занимать несколько часов, поэтому основная сложность кустарных работ – поддержание заданной температуры на протяжении всего цикла.
Качество домашней обработки значительно ниже, чем в условиях промышленных установок. Кроме того, рентабельность работ может обеспечить только большое количество обрабатываемых деталей, что не всегда возможно.
Свойства металла после обработки
В результате насыщения углеродом твердость верхнего слоя может достигать 64 HRC. Интенсивное температурное воздействие изменяет структуру после цементации.
Для нивелирования этих свойств заготовку подвергают повторной обработке и закалке с последующими нормализацией или отпуском в зависимости от типа стали.
Во время закалки благодаря образованию феррита происходит измельчение зерновой структуры.
Во избежание поверхностных деформаций на завершающем этапе проводят низкотемпературный отпуск стали.
Цементацию стали применяют для получения высокопрочной поверхности, которая способна выдерживать значительные нагрузки, что увеличивает срок эксплуатации. А вы когда-нибудь пробовали обрабатывать детали по данной технологии в домашних условиях? Расскажите о качестве полученного продукта в комментариях.
Цементация металла
Чтобы на поверхности металла образовался твердый износостойкий слой, прибегают к методу цементации. Завод металлоконструкций ЧЗМК выполняет различные виды обработки стали.
Сущность и назначение процесса цементации
Эта технология еще называется науглероживанием. Классическая цементация металла предполагает обработку при повышенной температуре в среде, богатой углеродами. Изначально это были твердые вещества, но сегодня используют и другие методы. Чтобы закрепить эффект, в конце необходима закалка с низким отпуском.
Цементацию называют эффективным видом химико-термической обработки, а применяют в отношении нескольких видов металла:
К цементации стали прибегают, четко рассчитывая, насколько глубоко необходимо насыщение углеродом. Хотя условно этот слой называют поверхностным, глубина воздействия разнится, в зависимости не только от вида металла, но и от размера изделия. В среднем насыщение углеродом при цементации затрагивает толщину до 0,5 – 2 мм. Однако для очень мелкой и тонкостенной детали границу уменьшают – вплоть до 0,1 – 0,3 мм. При цементации крупного и массивного изделия из металла углерод может проникать и в глубину, превышающую отметку в 2 мм.
Методы цементации металлов и сплавов
Выделяют несколько способов достижения вышеупомянутой цели. В первую очередь для цементации стали необходим карбюризатор. Это углеродосодержащие вещества, которыми и производят обработку металла при высокой температуре. Протекают процессы цементации и твердой, и в жидкой, и в газовой среде. Благодаря современным технологиям метод совершенствуется. И цементация металла теперь выполняется даже в специальных вакуумных печах.
Цементация с использованием твердой среды
Эта технология – одна из древнейших из числа химико-термических обработок металла. Считается, что ее начали использовать еще в 12 веке, если не раньше. Для цементации необходимы два ключевых условия:
В качестве карбюризатора для такого процесса цементации используют несколько видов веществ. Это может быть торфяной кокс либо каменноугольный полукокс. Но к ним добавляют активизаторы. Также возможно применение древесного угля в зернах, поперечник которых составляет в пределах 3.5 – 100 мм.
Процесс цементации начинается в того, что детали помещают в специальный ящик из стали. Важно, чтобы он запирался герметично – традиционно используется песчаный затвор. Важно правильное погружение изделий в карбюризатор – для достижения желаемой цели все стороны металла должны контактировать с углеродосодержащим веществом. Но при этом избегают контакта детали с деталью, как и со стенками ящика.
Выполнив подготовительные работы, переходят непосредственно к цементации. Это значит, что ящик отправляют в печь, где поддерживается высокая температура. Как правило, прогрев достигает 900 – 950 градусов. Ящик с изделиями из металла выдерживают при нужной температуре в течение определенного времени. Сколько именно выполнять цементацию, рассчитывают индивидуально.
Как правило, внутреннее содержимое доходит до нужной температуры за один час. После этого цементацию продолжают из расчета – 1 час на 0,1 мм цементированного слоя. Соответственно, для насыщения углеродом металла на глубину до 1 мм понадобится 10 часов.
Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют и в ускоренном темпе. Главное условие этого способа – повышение температуры в печи до 980 градусов. Тогда и скорость насыщения изделий углеродом повышается. Например, проникновение на глубину 1 мм возможно всего за 5 часов. Но ускоренную цементацию при повышенной температуре используют реже. Дело в том, что процесс сопровождается формированием так называемой цементитной сетки. В результате обработка металла становится более длительной и трудозатратной: предстоит многократно пройтись по поверхности изделия, выполняя нормализацию – нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение.
Процесс цементации в газовой среде
На современных заводах поставленной цели чаще добиваются, используя газовую углеродосодержащую среду. Благодаря новым решениям удается ускорить и упростить процесс. Принципиально он отличается от цементации в твердом карбюризаторе тем, что заготовки не нужно погружать в ящик, распределяя равномерно среди древесного угля или другого вещества. В целом все так же необходимо подержать изделия в печи при высокой температуре.
Цементацию в газовой среде удается выполнить ускоренными темпами благодаря специфике процесса. Ее выбирают для обработки заготовок большими партиями. Процедуру отличают следующие достоинства:
Цементацию в газовой среде фактически совмещают с последующими этапами обработки изделий. Например, закалка осуществляется из цементационной печи.
Проведение цементации в жидкой среде
Этот способ предполагает использование специальной соляной ванны. В ее составе преобладает карбонат натрия – до 85%. К нему добавляют карбид кремния. Для поддержания процесса насыщения изделия углеродом температура поддерживается в пределах 880-900 градусов. Как правило, за полчаса удается пройти слой толщиной до 0,15 – 0,2 мм.
Процесс цементации в таком случае предполагает, что ванну приходится освежать каждые три часа. Для этого в массу вводят 0,5% карбида кремния. Еще понадобится введение углекислого натрия.
Недостаток способа заключается в том, что каждые полтора месяца такая ванна нуждается в полной замене. Кроме того, цементацию в жидкой среде нецелесообразно осуществлять, когда необходимо выполнить насыщение углеродом на глубину больше 0,2 мм. Преимущественно к ваннам прибегают, когда необходимо обработать презентационные либо тонкостенные изделия.
Цементация в вакууме
Температура в оборудовании нагнетается до 980 – 1050 градусов. Давление колеблется от 7 до 55 пПа. Немаловажно, что газ постоянно циркулирует в печи, выполняя цементацию.
Для данного способа химико-термической обработки необходимо высокотехнологичное механизированное и автоматизированное оборудование. Поскольку оно должно неизменно удерживать давление и температуру на заданном уровне, параллельно осуществляя циркуляцию газа. Зато результат процесса превосходит все ожидания: детали выходят из печи светлыми, с чистыми поверхностями. Изделия не деформируются и не коробятся. Вакуумную цементацию выбирают, чтобы свести к минимуму потребность в окончательной доводке.
Способы цементации пастами
Вместо твердого карбюризатора, используют специальные пасты, чтобы ускорить и упростить задачу. Это масса, в которую входит древесно-угольная пыль и сажа, углекислый натрий и желтая кровяная соль. Еще в состав включают декстрин. Чтобы выполнить цементацию, необходимо развести смесь до консистенции, напоминающей густую сметану. Для этого используют раствор канцелярского клея в воде или керосине.
Детали погружают прямо в массу, но возможно нанесение состава кисточкой. Чтобы произошло насыщение поверхностного слоя углеводородом на глубину до 1 – 1,5 мм, понадобится покрытие пастой толщиной до 3-4 мм. Изделия располагают в цементационном ящике, который отправляют в печь. Там поддерживается температура в пределах 920 – 930 градусов.
В электролитическом растворе
Для повышения прочности металла и отвердения поверхностного слоя изделия погружают в многокомпонентные растворы электролитов. Способ называют скоростным, используется он применительно к небольшим деталям.
В данном случае температуру выставляют в пределах 450 – 1050 градусов. Поскольку это электрохимико-термическая обработка, используется постоянное напряжение от 150 до 300 В. Чтобы поддерживать температуру в нужных границах, анод от электролита отделен при помощи специальной парогазовой оболочки. Достижению цели способствует введение в электролит так называемых веществ-доноров. К ним относят сахарозу и глицерин, ацетон и этиленгликоль.
Можно ли цементировать сталь в домашних условиях
Поскольку для успешного процесса необходимо создать весьма специфические условия, включая крайне высокие температуры, дома практически невозможно выполнить насыщение металлических заготовок углеродом. Кроме того, важен профессиональный подход, чтобы добиться четко поставленной цели, не испортив изделия, а придав металлу желаемые характеристики.
Свойства металла после обработки
Ключевое отличие такого метода химико-термической обработки – в его результате. Благодаря цементации металла в результате насыщения поверхности углеродом при высокой температуре наружный слой получается крайне твердый и прочный. Сердцевина изделия при этом остается сравнительно вязкой. С таким сочетанием характеристик металлы обретают повышенную стойкость к контактным нагрузкам. После цементации твёрдая поверхность защищает вязкую сердцевину от деформации. На Череповецком заводе металлоконструкций есть все необходимое оборудование для химико-термической обработки, а высокая компетенция сотрудников служит гарантией достижения цели.