Цементирование стали и цементация металла в домашних условиях

Цементация сталей

Содержание

Введение

Цементация – это процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают следующие виды цементации: твердую, газовую цементации, цементацию пастами, жидкостную цементацию.

Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8–1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском.

Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают износостойкость и предел выносливости.

Для цементации обычно используют стали с содержанием углерода 0,1–0,3% различного легирования. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки сталей.

При цементации в твердом карбюризаторе изделия укладывают в ящики и засыпают карбюризатором, чаще древесным углем.

При нагреве углерод древесного угля, соединяясь с кислородом воздуха, образует оксид углерода, который, в свою очередь, взаимодействуя с железом, дает атомарный углерод. Этот активный углерод поглощается аустенитом и диффундирует в глубь изделия.

Для ускорения процесса цементации к древесному углю (коксу) добавляют катализаторы процесса: углекислый барий (ВаСО3) и кальцинированную соду (Na2CO3) в количестве 10–40 % от массы угля.

Газовая цементация

Для газовой цементации (впервые была осуществлена Аносовым П.Д. на Златоустовском заводе) в качестве карбюризатора используют природный газ, жидкие углеводороды (керосин, бензин и т. д.) или контролируемые атмосферы с определенным углеродным потенциалом. При нагреве образуется атомарный углерод:

2CO=CO2 + Cатом

или

CH4=2H2 + Cатом

Режимы цементации

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве. Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5–2,00 мм.

Цементацию проводят при 910–950 ºС или для ускорения процесса при 1000–1050 ºС. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0–1,3 мм получают при 920 ºС за 15 ч., а при 1000 ºС – за 8 ч.

Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна, высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали (НМЗС). Также перегрев после цементации можно исправить последующей полной перекристаллизацией сплава при закалке с повторного нагрева.

Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8–1,5 %.

Цементация является промежуточной операцией, цель которой – обогащение поверхностного слоя углеродом. Требуемое упрочнение поверхностного слоя изделия достигается закалкой после цементации.

Закалка должна не только упрочнить поверхностный слой, но и исправить структуру перегрева, возникающую из-за многочасовой выдержки стали при высокой температуре цементации.

После цементации ответственные изделия подвергают двойной закалке (закалке с повторного нагрева) Это делается для снижения коробления металла, а также, чтобы нагрев под повторную закалку исправил все несплошности микроструктуры металла, полученные при цементации – например крупное зерно от перегрева.

Повторную закалку проводят с нагревом до 850–900 °С (выше точки А3), чтобы произошла полная перекристаллизация стали. В углеродистой стали, из-за малой глубины прокаливаемости, сердцевина изделия после закалки состоит из феррита и перлита. Вместо первой закалки к углеродистой стали можно применять нормализацию. В прокаливающейся насквозь легированной стали сердцевина изделия состоит из низкоуглеродистого мартенсита. Такая структура обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины.При газовой цементации достаточно часто применяют одну закалку с цементационного нагрева после подстуживания изделия до 840–870 °С, но чаще температура подстуживания зависит от конкретной марки стали. Такая схема снижает общее время процесса цементации, но не исправляет дефекты структуры, полученные при высокотемпературной цементации.Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160–180 ºС и переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Преимущества газовой цементации перед цементацией в твердом карбюризаторе

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

– повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;

– сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы;

– сокращается потребность в жаростойком материале;

– появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;

– уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;

– улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

– появляется возможность закалки деталей непосредственно после цементации;

– позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс.

Недостатки процесса газовой цементации:

– необходимость в более сложном и дорогом оборудовании;

– потребность в более квалифицированной рабочей силе;

– сложность эксплуатации оборудования вследствие необходимости обеспечения герметичности печи, равномерной циркуляции газов и др.;

– сложные требования по технике безопасности.

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.

https://www.youtube.com/watch?v=x3p8dD90Z90

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.

Вакуумная цементация

Все выше перечисленные способы цементации имеют один большой недостаток — длительное время процесса.

Значительное ускорение процесса может быть достигнуто в результате использования высокотемпературной цементации при давлении ниже атмосферного, при вакуумной цементации.

(По ссылке дополнительная информация по вакуумной цементации). Процесс вакуумной цементации имеет ряд преимуществ перед традиционными методами цементации.

– 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.

Источник: https://HeatTreatment.ru/cementaciya-stalej

Цементация стали

Важным способом улучшения эксплуатационных свойств стали является химико-термическая обработка (ХТО), которая предполагает воздействие на заготовку реагента при повышенной температуре.

В холодном состоянии сталь характеризуется низкой химической активностью, даже образование ржавчины протекает достаточно медленно. Чтобы увеличить скорость реакции, сталь нагревают до высокой температуры.

Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10° приводит к увеличению скорости химической реакции вдвое. Высокие температуры позволяют выполнить обработку стали за допустимое время для промышленного производства.

Выбор способа обработки ведется в зависимости от химического состава стали

В процессе обработки заготовка находится в среде химически активного вещества. Оно формирует на поверхности заготовки слой с особыми свойствами, отличающимися от основной части. В большинстве случаев ХТО позволяет улучшить механические свойства материала, его прочность, твердость и стойкость к износу.

Самыми популярными процессами ХТО выступают цементация, предполагающая насыщение углеродом, и азотирование, в котором ведется обработка азотом.

Также высокой эффективностью обладает нитроцементация, которая совмещает азотирование и цементацию. Обработка другими элементами встречается редко.

Выбор способа обработки ведется в зависимости от химического состава стали, от содержания углерода и легирующих веществ.

ХТО является одной из завершающих операций в технологическом цикле производства стальных деталей. Она выполняется после формоизменяющих операций, обработки давлением и резанием.

В результате ХТО деталь приобретает увеличенную прочность поверхностного слоя, и обработать такую деталь становится гораздо сложнее.

Читайте также:  Как изготовить грунтозацепы для мотоблока своими руками

ХТО выполняется таким образом, чтобы коробление поверхности было минимальным и не требовалось выравнивать поверхность, срезая верхний слой. После ХТО производится только шлифовка поверхности.

Цементация стальных изделий

Стали, подвергаемые цементации, можно разделить на три группы по химическому составу:

Конструкционные стали, нелегированные или низколегированные: 15, 18, 20, 20Х, 20ХФ, 20ХМ, 18ХГ, 20ХН. Эти стали имеют низкую стоимость, но их невозможно закалить обычным способом из-за недостаточного содержания углерода, поэтому насыщение поверхности – простой способ увеличения их прочности.

Стали, легированные титаном 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХНТ, 20ХГНТР. В них образуется особо прочное соединение – карбид титана.

Высоколегированные конструкционные стали: 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА. Из них изготавливают наиболее прочные и ответственные детали.

Разработка технологии цементации зависит от группы, к которой относится сталь. Чтобы получить высокую твердость поверхности, от 58 HRC и выше, обработанную деталь подвергают закалке с последующим низким отпуском.

Таким образом, сердцевина детали остается «мягкой» и вязкой, с твердость 35-40 HRC при высокой твердости поверхности.

Благодаря этому обработанная деталь может использоваться при изгибающих нагрузках, которые опасны для хрупких изделий.

Способы выполнения цементации

Наибольшей популярностью пользуется газовая цементация. Она выполняется в печах шахтного типа, то есть установках, где обрабатываемые детали располагаются ниже уровня пола.

Такая конструкция связана с несколькими особенностями процесса. Во-первых, так проще обеспечить печи герметичность. Вторая причина – газы, воздействующие на металл, имеют большую плотность, чем у воздуха.

Газовая цементация используется на заводах, массово производящие упрочненные детали.

Температура при газовой цементации составляет 920-950 °С. Длительность обработки зависит от требуемой глубины цементированного слоя. Средняя скорость диффузионного распространения углерода 0,15 – 0,18 мм/ч. Обычно требуется упрочненный слой толщиной 0,8 – 1,5 мм, то есть продолжительность процесса может достигать 10 часов.

Содержание углерода после обработки в поверхностном слое доходит до одного процента. Процесс цементации и последующее термическая обработка могут выполняться тремя различными режимами в зависимости от степени ответственности деталей.

Неответственные детали обрабатывают за 2 нагрева, детали с повышенными требованиями – за 3, а с особенно высокими требованиями – за 4, применяя двойную закалку.

В мелкосерийном производстве достаточно популярен способ цементации при помощи твердого активного вещества, в состав которого входит древесный уголь и кокс, а также катализаторы процесса. Для обработки деталь помещается в стальную емкость. Несколько деталей размещаются таким образом, чтобы не касались друг друга или емкости.

Температура данного способа несколько выше, чем при газовой цементации. Недостатком процесса является сложность контроля над насыщением поверхности углеродом, что может привести к неравномерной твердости.

Источник: https://samara-metall.ru/articles/cementacija-stali

Химико-термическая обработка стали

Такая обработка металла изменяет не только его структуру, а и химический состав его поверхности.

Благодаря этому деталь может иметь вяжущую сердцевину, которая выдерживает ударные нагрузки, и высокую твердость и стойкость против воздействия извне.

Существует несколько способов химико-термической обработки, но в условиях небольшой мастерской (тем более в домашних условиях) можно выполнить только цементацию.

Цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя стали без доступа воздуха, в среде (карбюризаторе), котороя имеет значительное содержимое углерода. Цементируют обычно детали из малоуглеродных сталей, которые после закала поверхностного слоя шлифуют. Карбюризаторы для цементации поверхностного слоя стали могут иметь разный состав, но простейший такой, %:

Углекислый натрий или углекислый барий (для ответственных деталей) ………10 Углекислый кальций……………………………..3

Древесный уголь…………………………………..87

Карбюризатор можно приготовить из углекислого натрия (сода 6-10 %) и пиленного рога или торфяного кокса ( 90-94 %). Мелкие или одиночные детали цементируют в пасте, которая состоит из таких компонентов, %:

Газовая сажа……………………………………….28 Кальцинированная сода………………………3,5 Желтая кровяная соль………………………..1,5 Веретенное масло……………………………….67

или

Голландская сажа………………………………30 Кальцинированная сода……………………….10 Веретенное масло………………………………40

Декстрин (клей) ………………………………..20

Хорошую пасту для цементации можно приготовить из художественной краски «Газовая сажа» (продают в тюбиках), к которой домешивают часть за массой кальцинированной соды. Места на деталях, которые не нуждаются в цементации, защищают противо-цементационными обмазками. Простейшая обмазка – это огнеупорная глина с добавкой (10 %) асбестового боя. Замешивают смесь на воде.

Удобная в пользовании и такая обмазка, %: тальк-50, каолин – 25, вода – 25. Разводят эту обмазку к нужной плотности жидким стеклом или конторским силикатным клеем. Закладывают детали в цементационные ящики после высыхания обмазки. Цементируют так.

В металлический ящик с крышкой на дно насыпают карбюризатор слоем 30— 40 мм и на него кладут подготовленные (обмазанные) детали таким образом, чтобы расстояние между ними, а также между ними и стенками ящика сотовляла около 10-15 мм. Сверху детали присыпают карбюризатором слоем 30—40 мм, закрывают крышкой, промазывают ее кромки огнеупорной глиной и сушат.

Если для цементации используют пасту, то деталь намазывают ею слоем толще 3-4 мм, кладут в ящик, закрывают и также обмазывают кромки крышки огнеупорной глиной. После высыхания глины ящик помещают в печь и выдерживают (температуры 930—950 °С) на протяжении 1,5-3 года (с твердым карбюризатором 7-8 лет). При этом слой цементации достигает 1 мм.

Иногда в ящике для цементации делают отверстия и в них вставляют 1-2 отрезка мягкого стального провода диаметром 3-4 мм (пробник). Щели хорошо обмазывают огнеупорной глиной. Спустя некоторое время пробник вынимают, отверстие замазывают глиной, а пробник переризают и определяют глубину цементации, т.е. целесообразность дальнейшего прогревания.

После цементации детали охлаждают вместе с ящиком, потом нагревают до температуры 760— 780 °С. и закаливают. Упрощенная цементация. Небольшие детали из малоуглеродных сталей цементируют такими способами:

желтой кровяной солью ( железо-цианистый калий). Для цементации деталь нагревают, обсыпают солью и снова нагревают до расплавления соли (850 °С), потом вынимают и закаливают. При этом слой цементации сравнительно небольшой – около 0,15 мм.

Если необходимо увеличить его, деталь обсыпают солью и нагревают при указанной температуре на протяжении 1 ч, потом сразу же закаливают, чугунными опилками. Это старый кузнечный способ «укрепление в горне».

Нагретую к белому цвету деталь, не вынимая из горна, очищают проволочной щеткой и присыпают чугунными опилками, из которых углерод переходит на поверхность детали. Очищение и присыпания повторяют несколько раз. Целесообразно одновременно с опилками присыпать накаленное изделие древесному углем.

После этого изделие закаливают восстановительным пламенем горелки. Если в газовую горелку не дать достаточно кислорода, углерод, который есть в ацетилене, не полностью сгорает и может переходить в состав металла на месте сваривания, т.е. происходит местное неглубокое науглеродование.

Когда же одновременно применить как присадку стальной провод, который используют в автоматах для наваривания шеек коленчатых и других валов, толщину углеродного пласта можно увеличить до 1-2 мм. Смотрите также термическая обработка стали.

Источник: http://ometals.ru/himiko-termicheskaja-obrabotka-stali

Цементация стали

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 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.

Похожие материалы

Источник: https://www.metalcutting.ru/content/cementaciya-stali

Сталь и всё о стали

Применению издавна и широкому распространению способа цементирования железа углеродом способствовали, с одной стороны, легкость осуществления этой операции, с другой стороны, — те существенные результаты, которые при ней получаются.

В самом деле, для получения диффузии углерода в железо достаточно продержать последнее в течение некоторого времени (1-2 часа) в какой-либо содержащей углерод среде при повышенной температуре (800-900°) и доступе воздуха, чтобы были явные признаки изменения металла с поверхности вследствие науглероживания.

Читайте также:  Лазерная сварка металлов и ее особенности

Это изменение должно выразиться в известном нам различии свойств между твердой и мягкой сталями; например, твердость порядка 100 Нв, отвечающая железу (мягкой стали), повысится у поверхности до 200 Нд и более, если содержание углерода дойдет до эвтек-тоидного (0,8-0,9%) и выше.

После закалки разница в твердости будет еще существеннее, так как науглероженная поверхность даст твердость порядка 600-650 Нв (60-65 Rc), в то время как нена-углероженная сердцевина изделия останется мало измененной по твердости. Подобная же разница может получаться в прочих свойствах.

Согласно указанному общему положению, углерод может диффундировать относительно быстро в железо лишь тогда, когда выделяется в атомарном состоянии при разложении газообразных соединений СО, CmHn (углеводородов), CN (циана) и т. п. Если же взять один твердый уголь (без газообразных соединений), то он практически очень медленно диффундирует в железо.

Схема течения процесса при этом может быть изображена следующим образом:

2СО = С + С02 (или СтНп = тС + пП или CN = С + N); (1)

С -\~ Fe = (FeT — С) — твердый раствор (аустенит); (2)

С -f- 3 Fe = Fe3C (цементит) (3)

Из этого следует, что при диффузии (цементировании) может получиться как твердый раствор (2), так и химическое соединение (3).

Существуют разные схемы течения процесса цементирования железа углеродом.

Присутствие газовой среды является необходимым фактором, ускоряющим диффузию углерода, поэтому в практике при цементировании железных изделий применяют в качестве обуглероживающего материала (цементатора, называемого также карбюризатором) не один твердый уголь, а смесь его с веществами, легко выделяющими газ, содержащий углерод.

Такими веществами являются углекислые соли Na2C03, К2С03, ВаС03 и др., которые при нагревании легко распадаются с выделением С02. Последний, немедленно реагируя при высокой температуре с углеродом твердого угля, дает СО, который, в свою очередь, при соприкосновении с железом (с поверхности и отчасти проникая и внутрь) отлагает углерод, диффундирующий в железо.

Итак, если исходить из карбюризатора, представляющего смесь твердого угля с карбонатом (например, К2С03), то к процессу цементирования, согласно приведенной схеме, следует прибавить еще две реакции:

Цементирование посредством смеси угля с карбонатом является наиболее дешевым и употребительным в практике. Но в качестве цементаторов применяются самые разнообразные вещества как в твердом, так в жидком и газообразном состоянии.

Получение тех или иных результатов операции в значительной степени зависит от качества примененного цементатора: одни цемен-таторы считаются резкими, сильно действующими (например, расплавленные цианистые соли), другие — слабыми, постепенными (твердый уголь с небольшой примесью карбоната, чистая окись углерода и пр.).

Проверка достигнутых результатов может быть произведена наблюдением микроструктуры поперечного сечения цементированного образца.

Переходя постепенно от центра к периферии, мы должны наблюдать под микроскопом непрерывное изменение структуры от мягкой стали (железа) с преобладанием феррита к твердой, вплоть до эвтектоидного состава с одним перлитом или даже до заэвтектоидного с сеткой избыточного цементита.

Глубина цементации — наиболее важная характеристика произведенного процесса. Как сказано выше, эта величина определяется по излому, по микроструктуре, или путем химического анализа стружки, постепенно снимаемой с поверхности изделия.

Однако все эти методы применимы лишь постольку, поскольку допускают разрушение самого изделия; там же, где нужно убедиться в успешности произведенной химико-термической обработки на целом

К2С03 = С02 + К20; С02 -I-С =2 СО.

изделии, чаще всего прибегают к методу твердости (по Роквеллу, Шору и др.)- Зная, какова должна быть твердость стали при любом содержании углерода как в равновесном (отожженном), так и в закаленном состояниях, можно уже до некоторой степени заключить, достигнуто ли с поверхности изделия желательное содержание

углерода.

Для характеристики произведенного процесса цементирования, кроме глубины цементирования, нужно знать и степень науглероживания, т. е. какой концентрации углерода металл достигает у поверхности.

В связи с этим можно установить и резкость цементирования, т. е.

большую или меньшую постепенность изменения концентрации углерода по мере продвижения от поверхности к сердцевине, что можно обнаружить лучше всего по микроструктуре.

Практика выполнения цементирования твердыми карбюризаторами. Осуществление процесса цементирования в практике производится различными способами. В зависимости от природы используемого карбюризатора различают три вида цементирования: твердыми, газообразными и жидкими карбюризаторами.

Цементирование твердыми карбюризаторами осуществляется посредством размельченных в порошок 1 смесей, заключающих в себе главным образом уголь. Уголь этот должен быть по возможности чистым, бессернистым и плотным, для чего наиболее пригодным считается древесный — березовый. Раньше для цементирования рекомендовалось брать уголь, получаемый из животных остатков: кожи, рогов, копыт и т. п.

Однако это преимущество животного угля по сравнению с древесным несущественно, почему наиболее распространенным и дешевым твердым карбюризатором является все же уголь в смеси с карбонатами, особенно ВаС03, (до 40% по весу). Для этого цементатора на фиг. 174 приведены кривые, показывающие глубину цементированного слоя в нем в связи с температурой и временем выдержки.

Практически осуществить процесс при указанном цементаторе несложно: изделия засыпают слоем заранее заготовленной порошкообразной смеси 1 в специальных цементационных горшках или ящиках. Количество цементационной смеси должно быть в известном соответствии с поверхностью цементируемого изделия, так как цементатор быстро истощается, если его мало.

Ящики выдерживаются в печи положенное время при соответствующей температуре сообразно с требуемыми результатами (что большей частью устанавливается предварительно опытом) и затем изделия охлаждаются и подвергаются дальнейшей термической обработке.

Последняя является необходимой после цементирования, так как по условиям самого процесса цементирования в металле обычно получается перегрев (крупное зерно), который необходимо уничтожить, если от изделия в дальнейшем требуется известная прочность.

Обычно изделие после цементирования должно быть приведено в закаленное состояние (с низким отпуском), чтобы получить наибольшую поверхностную твердость.

При этом не рекомендуется производить закалку прямо из цементационного ящика ввиду отмеченного явления перегрева.

Обычно сначала стремятся размельчить зерно внутренней, малоуглеродистой сердцевины путем закалки (или нормализации) от температуры нагрева немного выше точки Ас3, а затем уже, после вторичного нагрева, производят самую закалку.

Так как вторая закалка касается главным образом поверхностного, высокоуглеродистого слоя металла, то температура нагрева для закалки берется теперь уже ниже, чем раньше, в соответствии с теми температурами, какие применяются в высокоуглеродистых (эвтектоидной и заэвтектоидной) сталях при нормальной закалке (750-800°). Очевидно, что при таких нагревах в сердцевине не получится полной закалки, чего, впрочем, и не требуется, так как сердцевина цементированных изделий должна представлять более мягкую, незакаленную сталь, обладающую, тем не менее, достаточно высокой прочностью.

После закалки цементированные изделия обычно подвергаются низкому отпуску.

Результаты цементации обусловливаются не только указанными факторами, относящимися к самому процессу, но и качеством самого цементируемого металла.

Замечено, что присутствие в железе таких примесей, как Сг, W, Мо и V ускоряет процесс цементирования.Si и А1, наоборот, замедляют, а Мп и Ni ведут себя_в этом отношении неопределенно.

Из примесей, особенно неблагоприятных для цементирования, нужно отметить Р, S и 02. Поэтому необходимым условием для успешности цементирования является возможная чистота металла от указанных примесей.

Цементирование твердыми карбюризаторами представляет довольно затяжную операцию, требующую значительной затраты времени на укладку изделий в ящики и засыпку их порошком.

Работа с угольным порошком является также негигиеничной.

Большим недостатком указанного способа является его продолжительность, достигающая иногда 30 час. и более, что обусловливается необходимостью прогревать вместе о предметами и цементационную смесь. Наконец, при этом способе трудно следить за процессом и доводить цементированный слой до надлежащей степени и глубины науглероживания.

Хотя для проверки процесса в ящик помещают специальные контрольные образцы (так называемые свидетели), но они также не всегда служат надежным показателем качества выполненной обработки. При недосмотре может получиться слишком науглероженная поверхность изделия с хрупкой цемен-титной сеткой, вызывающей иногда трещины и отслаивание сильно цементированной корки от основного металла.

Указанные недочеты в значительной степени ослаблены или совсем уничтожены в новых способах цементирования газообразными и жидкими цементаторами.

Источник: https://www.inmetal.ru/62-cementirovanie-uglerodom-stali.html

Цементация

ПодробностиКатегория: ЦПросмотров: 7064

ЦЕМЕНТАЦИЯ, один из видов термической обработки металлов – путем изменения химического состава поверхностного слоя изделий с целью увеличения их сопротивляемости изнашиванию. Такое общее определение охватывает не только обычные виды цементации, но также цианирование, нитрирование и пр.

В результате цементации поверхностный слой изделий в большинстве случаев приобретает большую твердость, в то время как внутренние части их остаются мягкими и, следовательно, хорошо сопротивляющимися ударам.

Цементация широко применяется в различных областях машиностроения (например, при изготовлении трансмиссий, шестерен, поршневых пальцев, отвалов плугов и пр.), в авто -тракторостроении и в инструментальном деле.

Сущность цементации науглероживанием заключается в получении из цементационной смеси при высоких температурах окиси углерода и иногда соединений углерода с азотом, затем в образовании активных атомов углерода и наконец в диффузии последнего в решетку γ-железа.

При цементации изделия упаковываются в ящик с угольным порошком и добавками; последние обычно являются углекислыми солями натрия, бария, кальция, калия и пр. При нагреве в присутствии угля углекислые соли распадаются по следующей формуле:

ХСО3+С=ХО+2СО.

Получившаяся окись углерода разлагается на углекислоту и углерод:

2СО=СО2+С.

Образовавшиеся активные атомы углерода, находящиеся in statu nascendi, проникают в решетку γ-железа, которое, как известно, может растворять до 1,7% углерода. Науглероживание поверхности обычно происходит только до 1 % С или немного выше.

При газовой или жидкой цементации активные атомы углерода могут получиться или из газа, или из жидкости непосредственно.

Исследование микроструктуры цементированной, но еще не закаленной стали показывает, что в результате цементации мягкая сталь на поверхности становится очень богатой углеродом: структура ее у поверхности состоит из перлита и сетки цементита в надэвтектоидном слое.

Более детальное исследование самого края поверхности науглероженной, но еще не закаленной стали обнаруживает два весьма важных и характерных типа ее микроструктуры (вкл. л., 1 и 2).

Разница между ними заключается в форме выделений и в расположении избыточного цементита. В большинстве случаев цементит располагается в виде тонкой сетки вокруг крупных зерен перлита или в виде игл (вкл. л., 1).

Эта структура после закалки обладает высокой и равномерной твердостью и обычно называется нормальной. Другой тип структуры – избыточный цементит – выделяется в виде массивной сетки вокруг более мелких зерен перлита и (что очень характерно для этого случая) часто окружен полями феррита (вкл. л., 2).

Выделения цементита, входящего в состав перлита, здесь также крупные. Такая структура при закалке дает мягкие трооститные места, является неудовлетворительной и носит название абнормальной.

В условиях заводского производства выработались практические признаки, по которым сталь испытывается на абнормальность; для этого сталь цементируют 10—13 час.

при 900—930°С и измеряют размеры зерен в надэвтектоидном слое (при увеличении в 100 раз); тогда количество зерен на площади 5 см2 будет: № 1 – до 1, № 2 – 1—2,5, № 3 – 2,5—5, № 4 – 5—10, № 5 – 10—20, № 6 – 20—40, № 7 – 40—80, № 8 – 80—160 и № 9 – выше 160 зерен. Чем меньше зерно, тем выше абнормальность стали (при обязательном условии окружения массивной сетки цементита ферритными полями).

Читайте также:  Болты, винты, гайки, гвозди

Лучшим методом испытания на твердость цементированной поверхности является способ Виккерса и Роквелла, а равно монотрон Шора или (для лабораторных работ) маятник Герберта. Испытание по Бринеллю совсем не подходит, так как продавливается твердый слой.

Большое практическое значение при испытании цементированных изделий имеет измерение толщины их твердого слоя, причем различают «общую толщину твердого слоя» (фиг. 1, ОВ) и «действительную» (фиг. 1, ОА; на ординате отложена твердость по Роквеллу, на абсциссе – расстояние от поверхности в мм).

Наиболее ценной частью цементированного слоя является его «действительная толщина», где наблюдается наивысшая твердость. Измерение твердого слоя цементированных изделий производится различными способами.

Стали для цементации. Правильный выбор стали для цементации имеет очень большое значение. В настоящее время цементируют как углеродистые, так и сложные стали. В табл. 1 приведены типичные примеры углеродистых сталей и указаны ориентировочные температуры цементации, рекомендованные стандартами разных стран.

При выборе сложных сталей для цементации следует всегда иметь в виду следующее влияние на нее специальных элементов, которые м. б. разделены на две группы: элементы, образующие карбиды (Сг, Мn), и элементы, образующие с железом твердый раствор (Ni); молибден и ванадий занимают промежуточное значение, давая и карбиды, и твердый раствор.

Элементы, образующие карбиды, увеличивают твердость и сопротивление износу твердой поверхности и часто упрочняют мягкую середину. Никель, молибден и ванадий увеличивают прочность и вязкость мягкой середины. Никель, понижая критические точки в цементированной стали, позволяет закалить поверхность последней при более низкой температуре. В табл.

2 приведены сложные стали SAE для цементации и указаны ориентировочные температуры для нее.

Типы цементации. В настоящее время применяются следующие четыре главных вида цементации: 1) науглероживание твердыми порошками, 2) науглероживание газами, 3) цианирование (жидкостями), при котором кроме углерода в сталь проникает и азот, и 4) нитрирование, т. е. насыщение поверхности стали азотом, причем при последнем способе окончательной закалки не требуется.

1. Цементация твердыми порошками. Такая цементация в подавляющем большинстве случаев производится порошком древесного угля твердых пород (березовым или дубовым) с примесью 15—20% углекислой соли (Na2CО3, K2CО3, ВаСО3 и т. д.).

Для цементации изделия укладывают в ящики, засыпают этой смесью, плотно закрывают и ставят в печь. В Америке для цементации применяют нихромовые или калоризированные ящики, стойкие к высоким температурам.

Несмотря на высокую стоимость в сравнении с чугунными или стальными ящиками они оказываются благодаря долгой службе более выгодными. Для цементации температуру в печи доводят до 1000—1200°С, в ящиках же температура ниже. Процесс во многих случаях длится около 8 ч. На фиг.

2 изображены кривые повышения температуры в печи и ящиках при цементации отвалов для плугов (кривая а – температура в ящике, кривая б – температура в печи; на абсциссе отложено время от начала наблюдения).

В результате такого режима на поверхности отвалов образуется перлит с сеткой цементита, и толщина твердого, принимающего закалку слоя – 1—1,5 мм, середина же остается мягкой. После охлаждения с ящиками отвалы вынимают, снова нагревают и закаливают. В результате на поверхности их образуется мартенсит (вкл. л.

, 3); сетка цементита должна полностью раствориться, иначе поверхностный слой будет хрупким (вкл. л., 4). Частым дефектом цементированных изделий являются мягкие места на их поверхности после закалки благодаря образованию троостита; на вкл. л., 5 изображает такую дефектную структуру – троостит в мартенсите.

Мягкие места в цементированных изделиях могут также быть объяснены недостаточным науглероживанием поверхности. На вкл. листе, 6 изображена микроструктура закаленной поверхности такой недоцементованной стали – тонкий слой мартенсита и феррита.

В общем цементация твердыми порошками является в условиях СССР очень практичной, распространенной и недорогой операцией.

В Америке для создания однородности качества при цементации применяют конвейерные печи, в которых каждый ящик, входя с одной стороны холодным и очень медленно двигаясь там, постепенно нагревается до 900°С и выходит с другой.

При цементации в обычной печи крайние ящики нагреваются быстрее, а средние медленнее, при конвейерной же – все ящики находятся в одинаковых условиях, что весьма ценно. В табл.

3 приведены важнейшие ошибки цементации, указаны их причины и даны способы к их устранению.

2. Цементация газом. При цементации газом изделия помещаются в длинный металлический цилиндр, обычно из нихрома или калоризированного металла, стойкого при высоких температурах. Цилиндр помещается в специальную печь и нагревается в ней при медленном вращении. Через цилиндр пропускается струя очищенного светильного газа. Общий вид такой установки для газовой цементации приведен на фиг. 3.

Для условий СССР в большинстве случаев выгоднее употреблять газ, полученный из нефти. Американский металлограф Гутри исследовал применение газа для цементации и дает следующие примеры «хорошего» и «плохого» газа для цементации (табл. 4).

В случае «хорошего» газа науглероженный слой в 1,5 мм толщиной получился в течение 10 ч. при давлении в 1 atm и температуре 870°С, тогда как при «плохом» газе в подобных же условиях для этого потребовалось 20 ч.

Газовая цементация при правильной ее постановке позволяет избежать многочисленных цементационных ящиков, массы грязной цементационной смеси, требующей тяжелой и неприятной работы, а также экономит топливо для подогрева ящиков.

3. Цианирование. За последнее время цианирование получило очень широкое распространение. При жидкой цементации сталь, предварительно достаточно подогретая, погружается в ванну из расплавленных цианистых солей.

Прежде применялись простые цианистые соли Na(CN), которые обычно прибавлялись в количестве 30% в ванну из Na2CO3 и NaCl, смешанных поровну. Содержание Na(CN) должно поддерживаться во время цементации не ниже 20—25%.

Обычная цианистая ванна не выдерживает нагревания до температуры 850°С и поэтому дает хотя и очень твердый, но слишком тонкий слой (0,2—0,4 мм). Поэтому цементация обычным цианистым натрием применима лишь там, где детали после нее не шлифуются и где износ поверхности не слишком велик.

За последнее время появилось много цианистых солей, не разлагающихся при температуре 900—950°С, например, дурферрит и др. Все они позволяют быстро получать достаточно толстый твердый слой; благодаря этому жидкая цементация начала применяться всюду.

Вследствие большой ядовитости паров цианистых солей с последними надо обращаться очень осторожно; их нельзя добавлять в расплавленную жидкую ванну во избежание взрыва; попадание в них азотистых соединений, например, селитры, также вызывает сильную реакцию.

Термообработка после науглероживания. Длительное пребывание стали при высокой температуре во время науглероживания вырывает у нее рост зерна. Особенно крупнозернистой становится науглероженная поверхность, потому что температура цементации (900°С) значительно превышает ее критическую температуру (725°С). Для уничтожения крупнозернистости применяется сложная термическая обработка.

Когда требуется мелкозернистая, очень прочная и вязкая сердцевина, изделия после науглероживания охлаждают вместе с ящиками или закаливают в воде. После этого их снова нагревают в печи до температуры немного выше критической, т. е. 870°С, и закаливают.

Для того чтобы получить мелкозернистую структуру на поверхности, изделия подвергают новому нагреву в печи до температуры ~775°С; эта температура на величину зерна в сердцевине влияния не оказывает. Твердая науглероженная поверхность переходит в состояние аустенита и получает мелкое зерно; последующая закалка дает на поверхности твердую структуру мелкозернистого мартенсита.

После закалки твердую закаленную поверхность можно подвергнуть отпуску и еще более понизить ее хрупкость. Температура отпуска определяется твердостью, которую желательно получить.

4. Нитрирование. При нитрировании сталь нагревается в потоке аммиака при температуре 510—525°С в течение 10—90 ч. Аммиак распадается на водород и азот; активные атомы последнего проникают в железо и дают с ним различные соединения, отличающиеся большой твердостью.

Впервые нитрирование в токе аммиака было применено в промышленном масштабе Адольфом Фраем на заводах фирмы Круппа в 1922 г.

Исследование структуры нитрированной поверхности сталей с помощью микроскопических, термических, рентгенографических, и химических методов обнаруживает у них следующие структурные компоненты: нитриды Fe2N (нитрид I по Фраю), Fe4N (нитрид II по Фраю), Fe6N и эвтектику-браунит (название дано в честь одного на первых исследователей нитридов железа – Брауна).

Нитриды образуют твердую хрупкую корку; на внешней поверхности они светлого цвета и плохо окрашиваются при травлении (вкл. л., 7). Браунит является эвтектикой нитрида Fe4N и железа, он содержит 1,5% азота. Вид его напоминает перлит (вкл. л., 8). Из всех указанных выше компонентов он является практически самым ценным, т. к.

обладает наибольшей твердостью и наименьшей хрупкостью. Браунит располагается под слоем нитрида Fe4N (если слой нитридов присутствует).

В сравнении с обычной цементацией науглероживанием нитрирование имеет много преимуществ: температура нитрирования гораздо ниже температуры обычной цементации, отсутствует закалка, – следовательно можно полностью избежать коробления, трещин изделий. Сергерсон (Sergerson) произвел параллельное испытание нитрированной и цементированной обычным способом сталей.

Хромованадиевая S. А. Е. 6115 цементовалась в течение 8 часов при температуре 920°С, затем подвергалась двойной закалке в воде и отпуску при 150°С. Одновременно была взята хромо-алюмино-молибденовая сталь и подвергнута нитрированию в течение 90 часов при температуре 525°С. Твердая поверхность обеих сталей испытывалась на приборе Виккерса, причем твердый слой постепенно сошлифовывался наждачным кругом, и твердость определялась на разном расстоянии от поверхности. Результаты испытания изображены на диаграмме фиг. 4 (где на абсциссе отложена глубина цементации в мм, а на ординате – твердость по Виккерсу—Бринеллю).

Практические испытания показали, что более твердый нитрированный слой сопротивляется истиранию в 5—7 раз лучше, нежели цементированный. При этом нитрированные изделия практически не изменяют своих размеров и формы, почему в противоположность цементированным они не требуют окончательной шлифовки.

Твердость нитрированного слоя не изменяется при нагревах до температуры 500°С, тогда как цементированные изделия при отпуске теряют значительную часть своей твердости. Кроме того, нитрированные изделия подобно нержавеющей стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии на воздухе и в пресной и соленой воде.

Препятствиями к широкому распространению нитрирования являются продолжительность процесса – от 10 до 90 ч. – и необходимость работать с дорогими сложными сталями – углеродистые стали непригодны для нитрирования, поверхность у них получается недостаточно твердой и очень хрупкой. Перед нитрированием сталь д. б.

подвергнута закалке и отпуску при 540°С для получения тонкой сорбитной структуры.

В настоящее время в Америке наблюдается широкий интерес со стороны заводов к процессу нитрирования. Почти все фирмы, строящие печи, начали выпускать и оборудование для нитрирования. Например, фирма Leeds & Northrup Со.

выпустила печь для нитрирования (по типу известной печи для отпуска – «Homo») с принудительной сильной циркуляцией аммиака и герметичными затворами камеры для нитрирования. Появились печи для непрерывного нитрирования, где изделия движутся внутри печи по конвейеру.

Эти печи, например, типа Surface Combustion Со., работая дуплекс-процессом, сокращают время нитрирования до 16 ч. и позволяют экономить на аммиаке. В обыкновенных печах диссоциация аммиака не д. б.

выше 30—40%, иначе получаются плохие результаты, тогда как конвейерные печи позволяют доводить эту диссоциацию до 90%.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 25 – 1934 г.

Источник: http://AzbukaMetalla.ru/entsiklopediya/ts/903-tsementatsiya.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector