Цементация стали

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:

• Предметы, очищенные от эмульсии и масла, загружают в ящик из стали, с карбюризатором, который должен полностью их покрывать. Нельзя допустить их касания стенок ящика и друг друга.
• Емкость помещается в печь. Ее герметичность обеспечивается притертой крышкой, глиной или песчаным затвором.
• Начав с предварительного прогрева, температуру повышают до технологических 900-950°C.
• Возможен ускоренный вариант (при 980°C), сокращающий время насыщения в 2 раза, но вызывающий образование карбидной сетки (возникающей из-за слишком высокого углеродного насыщения). Для ее устранения и исправления структуры проводят дополнительную многоэтапную обработку (нормализацию).

Цементация стали в домашних условиях организовывается в твердой среде или с использованием графита. Оба варианта доступны и не требуют специальных познаний. Обустройство помещения для первого способа максимально упрощается, поскольку печь не нуждается в обеспечении высокой герметичности.

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:

1. Соль и древесный уголь тщательно перемешиваются. Если смесь будет недостаточно однородной, во время цементации разные участки поверхности детали будут поглощать разное количество газа. В результате на изделии образуются пятна, сигнализирующие о недостаточной концентрации углерода; качество поверхности будет неравномерным.
2. Уголь пропитывают солью, растворенной в воде. Затем его подсушивают до получения смеси, влажность которой не превышает 7%. Такой состав получается однороднее и лучше подходит для использования дома.

Этапы цементации в твердой среде:

• Изделие очищается от загрязнений и укладывается в металлический короб, засыпается твердым карбюризатором (порошковой смесью). Необходимо следить, чтобы между стенками и ним сохранялся промежуток в 2-2,5 см. Размер ящика должен соответствовать форме предмета; это сократит время прогрева и улучшит качество цементированного слоя.
• Короб накрывается подогнанной крышкой, ее края промазываются глиной для герметичности (от утечки газов).
• Емкость помещают в предварительно прогретую печь. Цементация запускается при температуре 850-920°C.
• Атомы углерода поглощаются раскаленным верхним слоем.

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.

Жидкостная цементация

Жидкостная цементация производится в расплавленных солях, обычно в солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 — 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 — 0,5 мм. Основное достоинство процесса — возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий. В условиях индивидуального и мелкосерийного производства некоторое применение нашла цементация из паст. В этом случае на обрабатывавшуюся поверхность наносится обмазка, содержащая сажу (33 — 70 %), древесную пыль (20 — 60 % ), желтую кровяную соль (5 — 20 %) и другие компоненты. В качестве связующих материалов используют органические, органоминеральные и неорганические клеи. Толщина обмазки должна быть в 6 — 8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя.

В настоящее время наиболее перспективным методом цементации является цементация в эндотермической атмосфере с контролируемым углеродным потенциалом. При газовой цементации в эндотермической атмосфере, в начале процесса (в активный период насыщения) поддерживают высокий углеродный потенциал атмосферы за счет добавки к эндотермической атмосфере необработанного углеводородного газа (метана или пропана-бутана). В диффузионный период углеродный потенциал атмосферы устанавливается 0,8 — 1,0 % и количество добавляемого углеводородного газа резко уменьшается.

Цементация стали

Материаловедение

Цементацией (науглероживанием) называется химикотермическая обработка, заключающаяся в диффузиднном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде — карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки, когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки — придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1 — 0,18 % С), чаще легированные, стали. Для цементации крупногабаритных деталей применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3 %). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевйна изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на шлифование (50-100 мкм). Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; тогда участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (20 — 40 мкм), которую наносят электролитическим способом или изолируют специальными обмазками, состоящим из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, ленитом и др.

Рис. 148. Схема распределения углерода (а) и твердости после закалки и низкого отпуска (б) по толщине цементованного слоя: х0 — эффективная толщина слоя; xQ — общая толщина слоя

Механизм образования и строение цементованного слоя

Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемом, например, диссоциацией газов, содержащих углерод (СО; СН4 и др.). Атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.

При температуре цементации (выше точки Ас3) диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения — из продуктов его распада — феррита и цементита. При этом концентрация углерода не достигает предела насыщения при данной температуре.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали (рис. 148, а). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (рис. 149,- а): заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита (1), образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную (2), состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную зону (3), состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.

За эффективную толщину цементованного слоя часто принимают сумму заэвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон (до содержания 0,45 % С), что соответствует 50 HRC (см. рис. 148, б). Для многих изделий эффективная толщина слоя принимается после закалки до HV500 или HV700 для ответственных деталей.

Опыт показывает, что эффективная толщина цементованного слоя для деталей, изготовляемых из стали с содержанием

Рис. 149. Микроструктура цементованного слоя после медленного охлаждения (а) и закалки (б), Х200: 1 — заэвтектоидная зона (перлит + цементит в виде тонкой сетки); 2 — эвтектоидная (перлит); 3 — доэвтектоидная зона (перлит — черные, феррит — белые участки); xэ — эффективная толщина слоя (50 HRC)

<0,17 % С, составляет 15 % наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения. При содержании в стали >0,17 % С толщину слоя уменьшают до 5-9 %, а для деталей, работающих на износ, не испытывающих больших удельных нагрузок, — до 3-4 % от наименьшей толщины или диаметра цементуемого сечения.

Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8-1,0 %. Для получения высокой контактной усталости содержание углерода может быть повышено до 1,1-1,2 %. Более высокая концентрация углерода вызывает ухудшение механических свойств цементуемого изделия.

В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. На толщину слоя легирующие элементы в том количестве, в котором они присутствуют в цементуемых сталях, практически не влияют.

Цементуемые стали с помощью газа

Впервые цементацию стали газом осуществили на Златоусовском комбинате под бдительным руководством П. Аносова. Этот эффективный способ разработали В. Просвирин, С. Ильинский и Н. Минкевич.

Суть процесса достаточно проста — металл цементируется под влиянием углеродсодержащего газа (природного, искусственного или генераторного) в герметически закрытой печи.

Самый доступный и часто используемый газ — это состав, который получают при разложении нефтепродуктов.

Его изготавливают следующим способом:

• в специальную емкость из стали наливают керосин, нагревают до процесса пиролиза — разложения керосина на смесь из нескольких газов;
• примерно 60% этого газа модифицируют и делают подходящим для цементации.

Смесь из модифицированного газа и чистого пиролизного газа используют для цементации. Необходимость модификации части газа вызвана тем, что от использования чистого пиролизного газа на стали получается недостаточная цементация, а на некоторых деталях может оседать немного сажи, которую сложно удалять.

Сам процесс цементации стали с помощью газа проводят на специальных печах-конвейерах непрерывного действия. Либо используют уникальные стационарные агрегаты.

Сначала в печь, ее муфель, помещают деталь. Установку закрывают и накаляют печь до 950 градусов. Потом подают заранее подготовленный газ.

Провести эту процедуру в домашних условиях практически нереально.

В то же время она имеет несколько преимуществ перед твердым способом обработки:

• меньше времени затрачивается на подготовку сырья для цементации;
• более благоприятные и безопасные условия для труда рабочих;
• ускорение процесса закалки за счет сокращения времени на выдержку изделий.

Самое важное при цементации стали — это грамотно организованный процесс и качественное оборудование и сырье. Твердый способ вполне можно реализовать в домашних условиях при наличии печи, карбюризатора и металлических форм

А также определенных умений и навыков, связанных с этим процессом закалки стали.

Вакуумная цементация

— возможность эффективного регулирования профиля распределения углерода в цементованном слое и его микроструктуры;

— отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере, что исключает внутреннее окисление деталей;

— лучшее проникновение газа-карбюризатора в отверстия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей;

— высокая повторяемость результатов процессов, проходящих в одинаковых условиях;

— получение светлой поверхности деталей после цементации;

— отсутствие газоприготовительных установок и приборов контроля угле родного потенциала;

— уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа;

— большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут);

— сокращение длительности процесса в результате проведения его при высокой температуре и изменения потенциала атмосферы;

— повышение культуры производства и улучшение условий труда.

Первая информация о процессе вакуумной цементации относится к началу 70-х годов, когда специалисты фирмы «Хейес» (США) впервые осуществили вакуумную цементацию в модернизированных печах типа VCQ.

При вакуумной цементации, загрузку деталей производят в холодную камеру, далее пуск печи, и дальнейшее управление всеми технологическими параметрами (температура, расход газа, давление, длительности периодов цементации и диффузии) производится с помощью программы, введенной в управляющий компьютер. Сначала печь вакуумируется, затем следует ступенчатый нагрев до температуры цементации. Затем садка с деталями выдерживается при постоянной температуре для выравнивания температуры внутри садки и удаления загрязнений с поверхности стали, препятствующих проникновению углерода. Продолжительность выдержки при температуре составляет от 20 до 60 мин. (в зависимости от поперечного сечения деталей). Далее происходит подача в камеру реакционного газа, в качестве которого применяют такие углеводороды как метан, пропан, бутан или ацетилен. Давление и расход газа зависят от типа газа, объема камеры и площади поверхности деталей. Давление газа может находиться в интервале 4 — 400 мбар, а расход в интервале 500 -5000 нл/ч. При этом стараются как можно больше обогатить поверхностную зону углеродом, чтобы концентрация углерода в этой зоне достигла более высоких значений, чем задаваемые значения для окончательно обработанной детали. За стадией науглероживания следует диффузионная стадия процесса. Для того, чтобы избежать дальнейшего науглероживания во время диффузионной стадии, по окончании стадии науглероживания печь снова вакуумируют. Далее закачивают в печь немного азота (до установления давления в печи 2 мбара) с целью уменьшения эффекта сублимации (выветривания, улетучивания) в вакууме углерода и легирующих элементов с поверхности деталей при прохождении стадии диффузии. Стадии науглероживания и диффузии чередуют до тех пор, пока не будут получены требуемые глубина цементованного слоя и концентрационный профиль углерода. Оптимальный технологический процесс вакуумной цементации состоит из трех стадий науглероживания и трех стадий диффузии. На следующем этапе, осуществляется охлаждение печи и садки с деталями до цеховой температуры и в зависимости от конструкции печи это может происходить как в самой камере с использованием инертного газа (азот, аргон или гелий) при разных давлениях, так и в масле закалочного бака. После достижения печью цеховой температуры компьютерное управление отключается и с помощью погрузчика садку выгружают.

Некоторые особенности технологии — вместо заключения

Иногда при цементации необходимо защитить некоторые поверхности. Для этого применяют 3 основных способа: защита допусками, меднение поверхности, защита пастами.

Цементацию широко применяют в машиностроении для повышения твердости и износостойкости изделий с сохранением высокой вязкости их сердцевины. Удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины, и поэтому в нем возникают значительные сжимающие напряжения. Остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое, достигающие 400–500 МПа, повышают предел выносливости изделия. Низкое содержание углерода (0,08–0,3 %) обеспечивает высокую вязкость сердцевины за счет неполной прокаливаемости. Цементации подвергают качественные стали 08, 10, 15 и 20 и легированные стали 12ХНЗА, 18ХГТ и др. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60–64 HRC, а для легированной – 58–61 HRC; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.

упаковка из ппп

Методы цементации металлов и сплавов

• твердая среда;
• газовая среда;
• жидкая среда;
• вакуум;
• с применением специальной пасты;
• цементация в электролите.

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.

Наибольшей популярностью пользуются следующие карбюризаторы:

• березовый древесный уголь;
• дубовый древесный уголь.

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.

1. Сухой. В этом случае соль и уголь тщательно перемешивают. В противном случае результат будет некачественным: на поверхности будут видны необработанные участки стали.
2. Мокрый. Уголь поливают водным соляным раствором, после чего высушивают. Уровень влажности рабочей смеси не должен превышать 6–7%.

Последний способ считают наиболее эффективным для качественной модификации стали.

Процесс насыщения поверхности углеродом выглядит следующим образом:

1. Рабочую смесь насыпают в ящики, изготовленные из термостойкого материала. Форма и размеры зависят от типа обрабатываемых деталей.
2. Объекты для цементации помещают в ящик. Угольная смесь должна быть равномерно распределена по внутренней поверхности.
3. Во избежание утечек производят герметизацию емкости, обрабатывая закладную часть шамотной глиной.
4. Ящик помещают в печь, которую прогревают до 700 °C.
5. На данном этапе осуществляют визуальный контроль процесса: все нагреваемые элементы должны иметь ровный цвет без темных пятен на поверхности.
6. Температуру в печи повышают до рабочего уровня: 800–950 °C. Начинается процесс активного освобождения углерода и его проникновения в межкристаллическую решетку стали.
7. Время обработки зависит от требуемой глубины цементации стали.

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.

Современные предприятия проводят обработку с применением горючих природных газов, которые поддерживают углеродный баланс внутри печи.

Проведение цементации в жидкой среде

1. Соляной раствор наливают в специальную емкость.
2. В жидкость опускают детали.
3. Раствор нагревают до рабочей температуры, которая составляет 850 °C.
4. Заготовку выдерживают заданное время. Обычно оно не превышает 3 часов.

Достоинства данного метода – высокая скорость реакции и равномерное покрытие поверхности стали. Недостатком является глубина проникновения углерода – до 0,5 мм.

Цементация в вакууме

Этапы обработки:

1. Стальную заготовку помещают в камеру.
2. Из корпуса выкачивают весь воздух, создавая вакуум.
3. Печь нагревают до рабочей температуры.
4. Деталь выдерживают определенное время.
5. В камеру подают углеводородный газ под давлением.
6. Под действием вакуума углерод активно внедряется в кристаллическую решетку.
7. Науглероживание стали выполняют в несколько этапов в зависимости от требуемой глубины проникновения.
8. В камеру подают инертный газ, охлаждая температуру.

Из достоинств необходимо выделить полное отсутствие кислорода, что повышает качество обработки.

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.

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.