Содержание:

Увеличение содержания углерода на поверхности должно быть достаточно высоким, чтобы получить мартенситный слой с достаточной твёрдостью, обычно достигающей 700 HV. Требуемое содержание углерода на поверхности после диффузии составляет 0,8…1,0 %. Эти процессы можно проводить с широкой номенклатурой обычных углеродистых сталей, легированных сталей и чугунов, где объёмное содержание углерода составляет максимум 0,4% и обычно меньше 0,25%.

Суть процесса

Целью цементации является получение твёрдого поверхностного слоя, при относительно вязкой сердцевине, имеющей однородную мелкорзернистую структуру. Благодаря этому механические характеристики сердцевины улучшаются. В частности, повышается её ударная вязкость, и способность выдерживать при работе ударные нагрузки. Это важно для деталей, изготовленных из конструкционных (обычных и легированных) сталей, функционирующих в условиях интенсивного трения и износа при температуре не более 2000С.

Для осуществления данных структурных превращений применяются вещества, содержащие в своём составе значительно количество углерода и называемые карбюризаторами. Под действием высокой температуры карбюризаторы разлагаются (диссоциируют). При этом образуется атомарный углерод, который проникает в поверхностные слои цементуемого изделия.

Суть процесса, таким образом, заключается в науглероживании поверхностного слоя металла. Такие структурные изменения происходят в результате воздействия на металлическое изделие, которое обладает сравнительно малой твёрдостью. Для этого его нагревают в атмосфере с высоким содержанием углерода. После того, как атомы углерода внедрятся в поверхность соответствующего металла, твёрдость и прочность последнего увеличиваются.

Цементация стали всегда увеличивает общую прочность, которая обычно определяется температурой и продолжительностью всего процесса. Металл, который подвергается более длительному науглероживанию и более высоким температурам, обычно имеет повышенную концентрацию углерода. Когда этот металл быстро охлаждается после закалки, его внешняя поверхность становится твёрдой и износостойкой, а сердцевина остается мягкой и жёсткой.

цементация металла

Способы цементации

Исторически сложились три методов науглероживания, которые различаются состоянием источника углерода: твёрдое, жидкое, газообразное. В качестве карбюризаторов соответственно используются древесный уголь, расплав солей и углеродсодержащие газы, например, природный газ или пропан. В технической практике такие процессы называют цементацией в твёрдом, жидком или газообразном карбюризаторе. В последнее время возрастает роль вакуумной цементации.

В твердой среде

Цементация с применением твёрдого карбюризатора – наиболее простой и универсальный способ науглероживания поверхности металла. Способ можно успешно применять для изделий любой формы и размеров. При этом не требуетсяни высокой квалификации термистов, ни специального оборудования.. Термическая печь и металлический ящик, заполненный карбюризатором – всё, что необходимо для проведения процесса. При обработке деталей типа удлинённых втулок или изделий с глухими отверстиями наилучшие результаты наблюдаются именно при цементации в твёрдой среде.

Описываемая технология часто реализуется в условиях мелкосерийного и единичного производства, когда во многих случаях невыгодно устанавливать специализированные установки.

Технология цементации в твёрдой среде заключается в последовательном выполнении следующих операций:

  • Подготовка карбюризатора – древесного угля, составляющего не менее 60…65 %. Остальные добавки – углекислые барий и кальций, полукокс и мазут – способствуют стабилизации процесса.
  • Укладка цементуемых деталей в металлический ящик и равномерная пересыпка их слоями карбюризатора. Ящик (изготовленный из толстолистовой жаростойкой стали) закрывают крышкой и обмазывают огнеупорной глиной.
  • Размещение упакованных ящиков на поду термической печи и их нагрев до температуры 910…9500С.
  • Выдержка, длительность которой определяется требуемой глубиной цементированного слоя и размерами деталей. Чем больше ящик, тем больше масса обрабатываемой продукции и тем дольше длится науглероживание. Ориентировочно принимают, что при рабочей температуре 9200С на каждый сантиметр размера ящика требуется 7…9 мин.
  • Выдача ящика с деталями из печи на вибросито, которое отделяет крупные частицы карбюризатора от термически обработанных деталей.
цементация деталей

В особо ответственных случаях твёрдая цементация металла дополняется обработкой продукции в магнитном сепараторе, где происходит демагнитизация с окончательной очисткой изделий.

В жидкой среде

Процесс, применяемый для цементации стальных деталей. Детали выдерживаются при температуре выше точки Ac1 в расплаве соли, которая содержит значительный процент углерод а, который постепенно диффундирует в металл. Большинство жидких науглероживающих ванн содержат цианид, который обеспечивает одновременное азотирование и цементацию.

Жидкая цементация обычно используется для деталей малого и среднего размера. В солевой ванне углерод, который будет внедряться в поверхностные слои заготовки, поступает из расплавленной соли, которая представляет собой смесь цианида натрия (NaCN) и хлорида бария (BaCl2).

Науглероживание в соляной ванне характеризуется гибкостью технологических режимов, повышенной однородностью температур и простотой управления процессом.

Детали, подлежащие обработке, помещаются в расплавленную соли где нагреваются при практически тех же температурах, что и при цементации в твёрдом карбюризаторе - от 850 до 950 °C. Заданная глубина науглероживания составляет не более 0,5 мм, поэтому время обработки обычно невелико. Благодаря постоянному контролю концентраций углеродсодержащих солей процесс протекает стабильно, при отсутствии пузырьков пара, и гарантирует полную воспроизводимость технологических режимов обработки.

После цементации в жидкой среде заготовки обычно закаливают в другой солевой ванне при более низких температурах - от 160 до 200 °С. Для завершения процесса детали помещаются в печь для отпуска, чтобы снять напряжения в структуре материала и снизить чувствительность к трещинам, которая может проявиться при последующем шлифовании изделий.

Необходимо отметить, что жидкая цементация – процесс, экологически небезопасный, поскольку в составе солей присутствуют ядовитые цианиды. Поэтому масштабы применения такой технологии постепенно снижаются.

В газовой среде

цементация процесс

Цементация в газовой среде выполняется в атмосфере, содержащей CO и CH4. Газ каталитически диссоциирует на горячую стальную поверхность с образованием атомов углерода. Этот углерод затем проникает в кристаллическую решётку стали, образуя поверхностные карбиды.

Производство газа для науглероживания обычно осуществляется поэтапно. Сначала пропан или природный газ смешивают с расчётным количеством воздуха. При пропускании через горячий никелевый катализатор этас месь сгорает не полностью при температуре около 1050 ° C. Полученный газ охлаждается и обезвоживается, превращаясь в эндотермический газ) с наличием CO. Чтобы еще больше повысить концентрацию углерода на поверхности, для обогащения газа в него добавляют немного углеводорода. Преимущество газовой цементации - относительно лёгкий контроль температуры и состава науглероживающей атмосферы, поэтому этот процесс подходит для массового производства.

Альтернативный метод производства газа используется в печах с капельной подачей газа. Небольшое количество паров CH3OH, подаётся непосредственно в печь, где и диссоциирует, образуя науглероживающий газ. Метод подходит для средних объёмов производства.

При газовой (и вакуумной) цементации легче всего отделять от остальной части заготовки те её участки на поверхности, которые не нуждаются в науглероживании. Достаточно предварительно нанести на эти места температуростойкие защитные покрытия. Например, коленчатый вал в сборе требует только частичной цементации. Тогда остальную часть вала покрывают медью, чтобы предотвратить последующее карбидообразование.

В вакууме

Цементация деталей в вакууме происходит так. Сначала металл помещают в вакуумную печь и нагревают до нужной температуры. Затем внутрь печи запускается газообразный пропан. В результате нагрева пропан распадается на углерод, углеводород и водород. Углерод диффундирует в металл, образуя карбиды.

Процесс отличается рядом преимуществ, среди которых повышенная:

  • Противокоррозионная стойкость;
  • Механическая прочность;
  • Стойкость против износа.

Вакуумный метод позволяет операторам определять количество углерода, диффундирующего в металл, путем постоянного контроля длительности процесса.

Преимущества вакуумного науглероживания влияют не только на экономичность, но и благотворно воздействуют на окружающую среду. В отличие от других, рассмотренных ранее технологий, вакуумный процесс не выделяет никаких вредных химических веществ. Важно, что этот процесс происходит быстрее, поскольку пропан очень быстро распадается на свои компоненты. Наконец, температура, необходимая для облегчения науглероживания, при использовании вакуумной печи намного ниже. Поэтому для нагрева цементируемых изделий требуется меньше энергии.

Виды цементации

С использованием цементных паст

Цементацию с помощью пастообразных карбюризаторов применяют в основном на ремонтных предприятиях со сравнительно небольшим, но разнообразным по номенклатуре выпуском деталей. Главное преимущесво такой технологии – высокая производительность.

Реализация способа заключается в том, что на деталь наносят слой пасты, содержащей углерод, затем помещают изделие в металлические ящики или муфели, и загружают в печь. Там при температурах 900…9500С деталь/детали выдерживают в течение нескольких часов.

Основным недостатком процесса является неравномерность полученного карбидсодержащего слоя, и, следовательно, насыщенности поверхности углеродом. Из-за погрешности при определении количества нанесённой пасты может произойти даже отслаивание части слоя или его повреждение при последующих операциях с цементированной деталью.

В электролитическом растворе

Процесс напоминает жидкую цементацию, но отличается тем, что происходит в потоке плазмы. Используются бинарные водные токопроводящие растворы, гарантирующие хорошую электропроводность и достаточное содержание углерода, который будет диффундировать в поверхность заготовки. Желательно, чтобы углеродсодержащие соединения имели короткие, легко расщепляемые молекулярные цепи: это улучшает диссоциацию. Плазменная дуга обеспечивает быстрый локальный нагрев обрабатываемой температуры, что повышает производительность науглероживания.

В условиях разряда свободные радикал диссоциируют, выделяя атомарный углерод, который далее поглощается поверхностью заготовки. Далее происходит диффузия углерода в кристаллическую решетку материала изделия.

В технологиях электролитической цементации используют в основном глицерин, который легко разлагается плазмой и гарантирует диффузию достаточного количества углерода в поверхностные слои.

Какие свойства приобретают металлы после цементации?

Вследствие цементации обеспечивается повышение прочностных показателей сталей, их микротвёрдости и износостойкости. В ряде случаев улучшается коррозионная стойкость продукции.

Цементация характеризуется своей повторимостью: после, например, отпуска, деталь вновь можно подвергнуть науглероживанию, при этом конечный результат (при соблюдении технологических режимов процесса) будет таким же.

Недостатки обработки с дополнительным химическим воздействием

При любых нарушениях в проведении химико-термической обработки можно получить повышенную твёрдость (и, следовательно, хрупкость) на поверхности. Основными дефектами цементации считаются:

  • Разъедание поверхности деталей;
  • Стекловидные наплывы;
  • Неравномерная глубина слоя;
  • Пониженное или повышенное содержание углерода;
  • Наличие поверхностных трещин.

Эти дефекты должны предотвращаться строгим соблюдением режимов обработки.