Содержание
Диффузия азота и углерода в поверхностный слой стали
Насыщение поверхностного слоя изделия из стали азотом и углеродом, что и подразумевают под собой нитроцементация и цианирование, происходит за счет диффузии данных элементов во внутреннюю структуру стального сплава. В поверхностном диффузионном слое стального изделия при повышении температуры во время цианирования снижается количество азота, а количественное содержание углерода, наоборот, увеличивается.
Содержание углерода в диффузионном слое может увеличиваться непрерывно или только до определенного момента, а снижаться оно начинает только на последних этапах выполнения технологической операции. За счет такой особенности процесса диффузии углерода насыщение поверхностного слоя стального изделия данным элементом может фиксироваться при разных температурах выполнения цианирования. На степень насыщения большое влияние оказывают науглероживающие способности среды, в которой выполняется эта технологическая операция.
Температура цианирования влияет на глубину и состав нанесенного слоя
На параметры процесса совместной диффузии серьезно влияет азот, от которого, в частности, зависят:
- глубина слоя металла, на которую будет происходить диффузия углерода;
- степень насыщения такого слоя углеродом.
Между тем большое содержание азота в среде для цианирования может привести к тому, что диффузия углерода в структуру стали будет протекать недостаточно активно. Объясняется это тем, что азот, когда в рабочей среде для цианирования его содержится слишком много, способствует формированию на поверхности обрабатываемого изделия карбонитридных фаз или образований.
Процесс насыщения поверхностного слоя стального изделия азотом и углеродом при выполнении цианирования и нитроцементации протекает в две стадии, которые имеют мало общего, если сравнивать их кинетические показатели. Так, на первой стадии, которая может продолжаться от 60 до 180 минут, поверхностный слой изделия насыщается и азотом, и углеродом. На следующем этапе отдельные атомы азота, уже абсорбированные в структуру стали, могут десорбироваться, то есть перейти обратно в газовую фазу и выйти наружу через поверхность сплава. При протекании второй фазы цианирования наружный слой обрабатываемой стали продолжает насыщаться углеродом.
Установка для цианирования
Процесс уменьшения количества азота и увеличения содержания углерода в составе обрабатываемой стали, протекающий при увеличении температуры в ходе цианирования, имеет линейный характер. При этом такая линейность характерна лишь для верхнего слоя диффузионной зоны, в то время как в слоях стального изделия, располагающихся на большей глубине от его поверхности, она не наблюдается.
Характерной особенностью цианирования является то, что углерод проникает в обрабатываемое изделие на меньшую глубину, чем азот. Глубина проникновения этих элементов в структуру стали зависит преимущественно от микроструктуры обрабатываемого материала. Цианированные изделия небольшой толщины могут отличаться более высокой хрупкостью, если сравнивать их с деталями, обработанными по стандартной технологии цементации.
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.
- Компоненты смеси (соль и уголь) тщательно перемешиваются в сухом состоянии. Если пренебречь этим требованием, то после окончания процесса цементации на поверхности изделия могут образоваться пятна.
- Соль растворяют в воде и полученным раствором поливают древесный уголь, после чего его просушивают до достижения влажности не более 7%.
Следует отметить, что второй способ предпочтительнее, так как позволяет получить смесь с более равномерным составом.
Древесноугольный карбюризатор
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.
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
- Подготовленные для обработки детали укладывают в ящики, пересыпая слоями карбюризатора.
- Наполненные ящики, обмазанные огнеупорной глиной, помещают в предварительно прогретую печь.
- Выполняют так называемый сквозной прогрев ящиков с деталями, при котором они нагреваются до температуры 700–800 градусов Цельсия. О том, что ящики хорошо прогрелись, судят по цвету подовой плиты: на ней не должно быть темных пятен в местах соприкосновения с тарой.
- Температуру в печи поднимают до 900–950 градусов Цельсия. Именно при таких значениях проводят цементацию стали.
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.
Альтернативные способы повышение износостойкости металлов
- Фосфатирование – обработка металла фосфатами железа и марганца. Эти вещества образуют защитную фосфатную пленку на поверхности детали. Такая пленка необходима для предохранения металла от окисления под воздействием высоких температурах. Способ обработки широко распространен при изготовлении цилиндровых втулок и других механизмов дизелей.
- Анодирование – технология обработки алюминиевых конструкций и деталей с целью увеличения показателей прочности и износостойкости. Поверхность изделий из алюминия подвергается окислению в сернокислой ванне. Основной активный компонент, используемый при анодировании — атомарного кислорода. Процесс сопровождается напряжением до 120 В.
- Сульфидирование – процесс обработки и насыщения поверхности металлических деталей серой.
- Борирование — использование борных реагентов для покрытия поверхностей никелевых, кобальтовых и других металлов, результатом является повышение антикоррозийности, устойчивости и твердости изделий.
Процесс цементации стали своими руками
При наладке процесса химико-термической обработки в домашних условиях выбирают метод цементации в твердой среде. Это связано с существенным упрощение задачи по оборудованию помещения. Как правило, твердый карбюризатор делается при использовании смеси бария или кальция с древесным углем, а также углекислого натрия. Соль измельчается до состояния порошка, после чего пропускается через сито.
Цементация стали в твердом карбюризаторе
Рекомендации по созданию твердой смеси следующие:
- Первый метод заключается в использовании соли и угля, которые тщательно перемешиваются. Если использовать не однородную смесь, то есть вероятность образования пятен с низкой концентрацией углерода.
- Второй метод предусматривает применение древесного угля, которые поливается сверху солью, растворенной в воде. После этого уголь сушится до получения смеси с показателем влажности около 7%.
Для ножа и других изделий больше всего подходит второй метод получения карбюризатора, так как он позволяет получить равномерную смесь. Цементация стали в домашних условиях графитом также предусматривает создание смеси при применении нескольких технологий.
Цементация проводится в специальных ящиках, которые наполнены подготовленным карбюризаторов. Конструкция должна быть герметичной, для чего проводится заделывание щелей глиной. Достигать высокой герметичности рекомендуется по причине того, что при нагревании карбюризатора выделяются газы, которые не должны попасть в окружающую среду. Сам ящик следует изготавливать из жаропрочной стали, которая выдержит воздействие высокой температуры.
Процесс по проведению цементации стали в ящике в домашних условиях имеет следующие особенности:
Деталь укладывается в ящик со смесью. Толщина слоя твердого карбюризатора выбирается в зависимости от размеров заготовки.
Устанавливается печь.
Начальный прогрев печи проводится до температуры 700 градусов Цельсия. Данный нагрев называют сквозным. Однородность цвета стали, из которого изготавливается ящик, говорит о возможности перехода к следующему этапу.
Следующий шаг заключается в нагреве среды до требуемой температуры
Важно обеспечить равномерный нагрев поверхности деталей сложной формы, так как могут возникнуть существенные проблемы при неравномерном перестроении атомной структуры.
Цементация стали в ящике в домашних условиях
Сегодня есть возможность провести подобную процедуру и в домашних условиях, но возникают трудности с достижением требуемой температуры.
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.
Метод цементации описывается как способ обработки металла с использованием высоких температур в среде определенных химических веществ (химико-термическая обработка); среда может быть жидкой, газовой или твёрдой. Химические компоненты при нагревании выделяют свободный углерод. Поверхность нагретого металла поглощает атомы газа, меняя свою структуру (происходит диффузное насыщение на глубину от 0,5 до 2 мм).
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:
- Слой укрепляется, улучшаются такие его свойства, как твердость и износостойкость; при этом более глубокие слои сохраняют свои первоначальные свойства (вязкость и упругость). Поверхность хорошо сопротивляется истиранию, сердцевина способна выдерживать динамические нагрузки.
- После обработки предмет приобретает твердость, аналогичную с полученной по методу классической закалки (огнем и механическим воздействием).
Выделяют следующие особенности метода:
При организации процесса цементации важно выдерживать временные и температурные интервалы. Оптимальная плотность атомарного углерода появляется при поддержании температуры от 850 до 950°C.
Диффузное насыщение идет с малой скоростью; в этом заключается его особенность
Поглощение поверхностью атомов газа течет со скоростью 0,1 мм/час (значение может немного меняться в зависимости от среды и температуры). Учитывая, что ожидаемая толщина слоя начинается от 0,8 мм, нетрудно подсчитать, что полезные свойства деталь приобретет минимум через 8 часов.
Метод признан эффективным для легированных (инструментальных) и низкоуглеродистых сталей, где доля углерода в составе ограничена 0,2-0,25%, и они способны поглотить дополнительное количество атомов газа. Допускаются машиностроительные, строительные и арматурные стали марок 20х, 40х. Углеродистые стали таким способом не обрабатываются.
Технология цементации допускает использование нескольких сред. Разработаны приемы закалки в присутствии твердого и газового карбюризатора (углеродистого вещества, способного делиться углеродом). Поверхностное науглероживание возможно в кипящем слое, в растворах электролитов и в пастах.
Самыми распространенными в циклах производства являются газовые и твёрдые карбюризаторы.
Это интересно: Булатная сталь — особенности, история, область применения
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.
Источник статьи: http://metmastanki.ru/tsementatsiya-stali-chto-eto-kak-sdelat
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 (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.
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.
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.
Графитом
Цементацию стали в домашних условиях можно проводить несколько иным способом, без нагревания в печи.
Проверить твердость лезвия (ножа, зубила) можно с помощью напильника, который прекрасно точит не закаленный до нужной степени инструмент. Исправить проблему и повысить прочность кромки можно своими руками, используя несложное оборудование и затратив на это немного времени.
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:
- Графитовый порошок, измельчённый в пыль (даёт мельче искры).
- Источник питания (понижающий трансформатор); для комфортной работы графитовым электродом достаточно 6-12 В.
- Провода достаточного сечения.
- Металлическая подложка (поддон, уголок или кусок профиля).
- Предмет, на котором предварительно желательно убрать зазубрины (мелкой шкуркой).
Этапы:
- На металлический поддон насыпается графитовый порошок (его можно получить, сточив графитовую щетку от электродвигателя или из батарейки)
- К подложке подсоединяется плюсовой контакт, к предмету, требующему закалки — отрицательный провод.
- На трансформатор подается напряжение.
- Предмет (лезвие) необходимо перемещать над слоем графита плавными движениями; при этом цепь замыкается и между лезвием и порошком проскакивают небольшие искры.
- Лезвие в процессе нагревается; оно не должно касаться подложки. При контакте с поддоном короткое замыкание (дуга) может прожечь кромку.
Ограничения метода:
- Трудно достичь равномерного прогрева в порошке, и, следовательно, приемлемого качества для изделия заметных размеров. Науглераживание детали углеродом графита подходит для цементирования режущей кромки садового инструмента (лопат) и ножей. Для ответственных деталей метод не рекомендуется.
- Теоретически качественная цементация идет со скоростью около 0,1 мм/час. Скорость можно увеличить, увеличив температуру, но это также становится причиной итоговой хрупкости.
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.
Паста состоит из:
- сажи, 55 %;
- кальцинированной соды (желтая соль), 30 %;
- щавелевокислого натрия, 15%.
Составляющие размешиваются в воде до пастообразного состояния.
В растворе электролита
Метод базируется на анодном эффекте и подходит для небольших предметов.
- Предмет погружается в печь-ванну с раствором, предварительно разогретым до рабочей температуры (от 450 до 1050°С, в среднем — 850-860°С). Необходимое напряжение составляет 150-300 В.
- За 1,5-2 часа поверхность металла насыщается углеродом на глубину 0,3-0,4 мм.
Стандартный раствор содержит:
- соду 75-85 %;
- хлористый натрий 10-15 % ;
- карбид кремния 6-10 %.
: 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.
Процесс цементации металла — общие сведения
Химико-термическая обработка или цементация, это процедура, при которой на изделия воздействуют высокой температурой при помещении их в жидкую, газовую или твёрдую среду, что делается для придания им измененного химического состава. Причем этот эффект обеспечивает насыщение углеродом поверхностного слоя обрабатываемых объектов. Благодаря такой обработке можно обеспечить изделиям высокие характеристики устойчивости к износу и повышенную твердость. Примечательно то, что сердцевина этих деталей сохраняет свою начальную вязкость.
Эффективность метода цементации наблюдается при условии, что работа проводится с низкоуглеродистыми сталями, в составе которых доля углерода не превышает значения 0,2%. Термическая обработка обеспечивает насыщение поверхностного слоя деталей, причем для этого их помещают в специально подобранную среду, которая может легко выделить активный углерод, где поддерживается температура в диапазоне от 850 до 950 градусов Цельсия.
Создание подобных условий обработки позволяет изменять помимо химического состава обрабатываемых элемента и микроструктуру вместе с фазовым составом. Положительный эффект от такой обработки заключается в повышении прочности, в результате по характеристикам такая деталь не отличается от изделий, прошедших операцию закалки
Для достижения наилучших результатов особое внимание следует уделить грамотному расчету времени, в течение которого деталь должна выдерживаться в создаваемой среде, а также подбору температуры цементации
Особенностью цементации стали является то, что на эту процедуру уходит достаточно много времени. Чаще всего процесс насыщения поверхности и придания ей специальных свойств проходит со скоростью около 0,1 мм за один полный час выдержки. Многие элементы нуждаются в создании упрочненного слоя толщиной более 0,8 мм, что позволяет говорить о том, что на эту обработку придется потратить как минимум 8 часов. На текущий момент технология цементации металла предусматривает использование нескольких сред:
- газовые;
- пастообразные;
- твердые;
- растворы электролитов;
- кипящий слой.
Обычно при выборе среды для обработки металла используют газовые и твёрдые карбюризаторы.
