Что такое цементирование металла
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.
Что такое цементация стали и как ее сделать в домашних условиях?
Накоплено множество методов обработки металлических конструкций. Одним из них является цементация стали; что это, как сделать в домашних условиях, можно понять, изучив основные технологические приемы процесса.
Общие сведения
В старину топоры из сырого железа помещали в герметичный глиняный горшок, наполненный углем, и ставили в печь на несколько суток. Внешние слои насыщались углеродом под действием жара. Инструмент получал твердую поверхность, сохраняя мягкую, пластичную сердцевину. Сущность технологии сохранилась, прием получил развитие, стал распространенным и разделился на несколько ветвей.
Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Назначение такой термообработки в том, чтобы изменить (усилить) некоторые характеристики поверхностного слоя металлического изделия:
Выделяют следующие особенности метода:
Самыми распространенными в циклах производства являются газовые и твёрдые карбюризаторы.
Газовая цементация
В машиностроении распространена технология насыщения верхнего слоя стальных изделий углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Известно, что такое производство удобно для массовой обработки деталей, так как:
В твердом карбюризаторе (твердая)
В качестве среды-донора углерода используют древесный уголь; как вариант — торфяной кокс, каменноугольный полукокс. Смесь дополняют активизаторами (углекислый натрий, барий или кальций).
Для качественного насыщения уголь измельчают до частиц размером 3-10 мм, а затем просеивают, чтобы избавиться от пыли. Активизаторы также измельчают и просеивают, стремясь придать солям вид мелкого порошка.
Процесс цементации стали проходит в несколько этапов:
Это условие вполне достижимо в домашней мастерской. Несмотря на очевидные преимущества, у метода есть и недостатки: трудоемкость и низкая производительность.
Перед обжигом готовится твердая смесь (карбюризатор). Она состоит из смеси древесного угля с углекислыми солями бария, натрия или кальция. Соли предварительно измельчают до порошкообразного состояния, а затем просеивают, чтобы добиться однородности. Доля древесного угля в смеси — 70-90%, остальное приходится на соли.
Смесь создается одним из двух способов:
Этапы цементации в твердой среде:
Твердая цементация стали допускает неоднократное использование карбюризатора. Для повторного отжига к отработанному карбюризатору достаточно добавить до 30% свежей смеси.
Для большинства ответственных машинных деталей (валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, лемехи, шпиндели) достаточной считается глубина цементированного слоя от 0,6 до 2 мм. Время выдержки для приобретения достаточной твердости может варьироваться от 6 до 20 часов.
Изделия после цементации в твердом карбюризаторе получаются прочными, но хрупкими. Чтобы избавится от нежелательного свойства, детали подвергают термообработке (закалке) с нагревом до 840-850°С, с последующим отпуском (нагревом до 780-800°С), снимающим внутренние напряжения.
Графитом
Цементацию стали в домашних условиях можно проводить несколько иным способом, без нагревания в печи.
Для домашних условий применим способ цементации металла с использованием графитового порошка, как вещества с хорошей электропроводимостью. При закалке в графите нагрев идет только по режущей кромке.
Для организации рабочего места потребуется:
Таким способом можно цементировать лопату, косу, сверло, отвертку, ножи газонокосилки.
Цементация проводится и в менее распространенных карбюризаторах.
В пасте
Способом можно пользоваться дома. Пасту необходимо нанести на предмет и дать ей подсохнуть. После предмет помещается в печь и выдерживается при 900-950°С расчетное время. Таким методом можно добиться толщины науглероженного слоя в 0,7-0,8 мм.
Составляющие размешиваются в воде до пастообразного состояния.
В растворе электролита
Метод базируется на анодном эффекте и подходит для небольших предметов.
Стандартный раствор содержит:
Видео: цементация (закалка).
Цементация в кипящем слое
Промышленный метод, протекающий в специальной установке (печи кипящего слоя). Основа метода — получение псевдожидкого состояния сыпучего вещества (корунда) в смеси раскаленных газов (в экзогазе). Температура распределяется равномерно по всему объему печи, что уменьшает деформацию предметов и их коробление.
Обработку изделия не заканчивают цементацией; рекомендуется провести термообработку (отпуск) или отшлифовать его. Чтобы достичь необходимого уровня прочности при цементации и закрепить его твердость, необходимо правильно соблюдать условия технологического процесса.
Все о цементации металла на примере стали
Цементация, осуществляемая в различных средах и исключительно под воздействием высоких температур, является очень распространенным методом химико-термической обработки металла, успешно применяемым уже не один десяток лет.
Подготовка деталей для цементации
Сущность процесса цементации
Смысл любых методов химико-термической обработки металлов, к числу которых относится и цементация стали, заключается в том, что изделие нагревают до высокой температуры в специальной среде (жидкой, твердой или газообразной). Такое воздействие приводит к тому, что меняется химический состав металла – поверхность обрабатываемого изделия насыщается углеродом, в итоге становится более твердой и износостойкой. Что важно, сердцевина обработанных деталей остается вязкой.
Добиться желаемого эффекта после такого воздействия на металл можно лишь в том случае, если обработке подвергают низкоуглеродистые стали, в составе которых углерода содержится не более 0,2%. Для того чтобы выполнить цементацию, изделие нагревают до температуры 850–950 градусов Цельсия, а состав среды подбирают таким образом, чтобы она при нагреве выделяла активный углерод.
Если цементацию стали проводить квалифицированно, можно не только изменить химический состав металлического изделия, но также преобразовать его микроструктуру и даже фазовый состав. В результате удается значительно упрочнить поверхностный слой детали, придать ему характеристики, сходные со свойствами закаленной стали. Для того чтобы добиться таких результатов, необходимо правильно подобрать параметры химико-термической обработки металла – температуру нагрева и время выдержки обрабатываемого изделия в специальной среде.
Оборудование для вакуумной цементации стали
Данная технологическая операция является достаточно продолжительной по времени, так как процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом проходит очень медленно (0,1 мм за 60 минут). Учитывая тот факт, что упрочненный поверхностный слой для большинства изделий должен составлять не менее 0,8 мм, можно рассчитать, что на выполнение цементации металла необходимо будет затратить не менее 8 часов. Основными типами сред для выполнения цементации металла (или, как их правильно называют, карбюризаторами) являются:
Наиболее распространенными являются газообразные и твердые карбюризаторы.
Зависимость толщины цементованного слоя от времени и температуры обработки
Проведение цементации стали в твердой среде
Чаще всего для выполнения цементации металла в твердой среде используется смесь, состоящая из углекислого натрия, бария или кальция и березового или дубового древесного угля (70–90%). Перед этим все компоненты такой смеси измельчаются до фракции 3–10 мм и просеиваются, что необходимо для удаления слишком мелких частиц и пыли.
После того, как компоненты смеси для химико-термической обработки металла подготовлены, их можно смешать несколькими способами.
Следует отметить, что второй способ предпочтительнее, так как позволяет получить смесь с более равномерным составом.
Как в производственных, так и в домашних условиях цементация изделий из стали выполняется в ящиках, в которые засыпан карбюризатор. Чтобы улучшить качество поверхностного слоя обрабатываемого металла, а также сократить время, идущее на прогрев ящиков, лучше всего изготавливать их максимально приближенными к размерам и формам деталей.
Оптимальные условия для протекания цементации стали можно создать, исключив утечку газов, образующихся в карбюризаторе в процессе нагрева. Для этого ящики, у которых должны быть плотно закрывающиеся крышки, тщательно обмазывают огнеупорной глиной перед помещением в печь.
Естественно, использовать специально изготовленные ящики целесообразно лишь в промышленных условиях. Для цементации металла в домашних условиях применяют ящики стандартных размеров и формы (квадратные, прямоугольные, круглые), подбирая их в зависимости от количества обрабатываемых деталей и внутренних размеров печи.
Оптимальным материалом для таких ящиков является жаростойкая сталь, но может быть использована и тара из малоуглеродистых сплавов. Технологический процесс цементации изделий из металла выглядит следующим образом.
Наглядное изображение изменения структуры после цементации
Высокая температура и специальная среда, в которой находится металл, способствуют тому, что происходит диффузия атомов активного углерода в кристаллическую решетку стали. Следует отметить, что выполнение цементации стали возможно в домашних условиях, но часто не позволяет добиться желаемого эффекта. Объясняется это тем, что для процесса цементации необходима длительная выдержка детали при высокой температуре. Как правило, это трудно обеспечить в домашних условиях.
Цементация деталей в газовой среде
Авторами данной технологии являются С. Ильинский, Н. Минкевич и В. Просвирин, которые под руководством П. Аносова впервые использовали ее на комбинате в г. Златоусте. Суть данной технологии заключается в том, что обрабатываемые детали из металла нагреваются в среде углеродосодержащих газов, которые могут быть искусственного или природного происхождения. Чаще всего используется газ, который образуется при разложении продуктов нефтепереработки. Такой газ получают следующим способом:
Полученная смесь и используется для выполнения химико-термической обработки стали.
Процесс цементации стали
Если цементацию стали провести с применением только пиролизного газа, без добавления крекированного, то глубина науглероженного слоя будет недостаточной. Кроме того, в таком случае на поверхности обрабатываемой детали осядет большой слой сажи, на удаление которого может уйти много времени и сил.
Печи, которые используются для выполнения газовой цементации металла, должны герметично закрываться. На современных производственных предприятиях применяют два основных типа таких печей: методические и стационарные. Сам процесс цементации в газовой среде выглядит следующим образом. Обрабатываемые детали помещают в печь, температуру в которой доводят до 950 градусов Цельсия. В нагретую печь подают газ и выдерживают в нем детали определенное время.
По сравнению с цементацией стали с использованием твердого карбюризатора, данная технология имеет ряд весомых преимуществ:
Цементация стали в домашних условиях
В каких еще средах может проводиться цементация стали
Отдельные сорта углеродистых, низкоуглеродистых и легированных сталей, в частности 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А и др., могут проходить цементацию в других средах.
В такой среде можно науглероживать только детали, отличающиеся небольшими размерами. Основывается данный метод на анодном эффекте, благодаря которому и происходит насыщение поверхности металла углеродом, содержащимся в растворе электролита. Для того чтобы раствор содержал достаточное количество активного углерода, в него добавляют глицерин, ацетон, сахарозу и другие вещества. Перед тем, как поместить деталь из стали в раствор, его нагревают до температуры 450–1050 градусов Цельсия (в зависимости от обрабатываемого металла и размеров детали). Для разогрева раствора используют электрический ток с напряжением 150–300 В.
Цементацию стали по данной технологии проводят в среде раскаленного газового потока, формируемого при прохождении метана и эндогаза через слой нагретого мелкоизмельченного (0,05–0,2 мм) корунда.
Для науглероживания поверхности металла по данной технологии используются специальные пасты, состоящие из желтой соли, древесной пыли и сажи. Перед обработкой деталь обмазывают такой пастой и просушивают, а только затем нагревают до температуры 910–1050 градусов Цельсия при помощи токов высокой частоты.
По какой бы технологии ни была выполнена цементация стали, после ее окончания рекомендуется провести отпуск металла.
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.