цементація

цементація

Цементацією називається процес насичення поверхневого шару стали вуглецем з метою підвищення працездатності деталей металургійних машин (всілякі шестерні, зубчасті муфти і втулки, пальці), що зазнають в процесі експлуатації статичні, динамічні і змінні навантаження і піддаються зношування. При цьому вироби, що складаються з низьковуглецевих сталей (0,10 — 0,25% С), нагрівають в середовищі, що містить вуглець. Вибір таких сталей необхідний для того, щоб серцевина вироби, не наситились вуглецем при цементації, зберігала високу в’язкість після гарту.

На цементацию деталі надходять після механічної обробки нерідко з припуском на шліфування 0,05 — 0,10 мм. У багатьох випадках вуглецюванню піддається тільки частина деталі, тоді ділянки, які не підлягають зміцнення, захищають тонким шаром міді (0,02 — 0,04 мм), яку наносять електролітичним способом або ізолюють спеціальними обмазками, що складаються з суміші вогнетривкої глини, піску і азбесту, замішаних на рідкому склі, і ін.

Цементація проводиться в середовищах насичених вуглецем (твердих, рідких або газоподібних), званих карбюризаторами, основні склади наведені в таблиці 1.

Склади карбюризаторів, що застосовуються в процесі цементації сталей, і режими цементації

Глибина цементо-ванного шару, мм

Температура, о С

Час витримки, годину

Деревне (березовий) вугілля в суміші з 20-25% ВаСО3 і 3,5-5% СаСО3

Кам’яновугільний напівкокс в суміші з 10-15% ВаСО3 і 3,5-5% СаСО3

10-15% NaCl + 6-8% SiC, решта До2 СО3

Гази, одержувані при згорянні гасу, спиртів, бензолу, безпосередньо в печі для цементації

Найбільш часто використовують два види цементації — тверду і газову.

При коксування твердим карбюризатором в даній якості застосовується деревне вугілля (дубовий або березовий) в зернах 3,5 — 10,0 мм. Для прискорення процесу цементації додають активують добавки — вуглекислий барій (ВаСО3 ) І кальциновану соду — вуглекислий натрій (Na2 CO3 ) В кількості 10 — 40% від маси вугілля. Широко застосовується карбюризатор складається з деревного вугілля, 20 — 25% ВаСО3 і до 3,5% СаСО3. Робочу суміш для цементації складають з 25 — 35% свіжого карбюризатора і 65 — 75% відпрацьованого; зміст карбонату барію в такій суміші коливається в інтервалі 5 — 7%.

Вироби, що підлягають цементації, після попереднього очищення укладають в ящики: зварювальні сталеві або рідше литі чавунні прямокутної або циліндричної форми (мал.55). При упаковці на дно ящика насипають і утрамбовують шар карбюризатора товщиною 20 — 30 мм, на який укладають перший ряд деталей, витримуючи відстані між ними і до бічних стінок ящика 10 — 15 мм. Шар виробів засипають карбюризатором, який добре трамбують. Так надходять по всій висоті ящика. Останній (верхній) ряд деталей засипають шаром карбюризатора товщиною 35 — 40 мм з тим, щоб компенсувати можливу його усадку.

Мал.55. Схема розташування деталей в цементаційна ящику

1-ящик; 2-кришка; 3-зразки свідки; 4 обмазка; 5-деталі;

Ящик накривають кришкою, кромки якої обмазують вогнетривкою глиною або сумішшю глини і річкового піску розведених на воді до тістоподібного стану. Після цього ящик поміщають в піч. Суміш нагрівають до 900 — 950 ° С. Тривалість витримки при робочій температурі залежить від необхідної товщини шару і розмірів ящика. Для отримання шару глибиною 0,7 — 1,5 мм витримка становить 6 — 15 год. Після цементації ящики охолоджують на повітрі до 400 — 500 ° С і потім розкривають.

В основі даного процесу лежать наступні хімічні перетворення. У цементаційна ящику є повітря, кисень якого при високій температурі взаємодіє з вуглецем карбюризатора, утворюючи СО. При цьому чадний газ в присутності заліза розкладається по рівнянню

Вуглець, який виділяється в результаті цієї реакції, в момент його утворення є атомарним і дифундує в аустеніт: Зат ® Fg ® Fg (С) — аустеніт.

Вуглекислий газ СО2 взаємодіє з вугіллям карбюризатора, знову утворює СО.

СО2 + З # 854; 2СО

Вуглекислі солі при високій температурі розкладаються з виділенням вуглекислого газу, який підтримує реакцію перенесення вуглецю на поверхню деталей.

СО2 + З # 854; 2СО

Окис вуглецю на деталях знову розкладається з виділенням вуглецю. Таким чином, відбувається перенесення вуглецю з твердої фази на деталі через газову фазу.

Процес твердого науглероживания має ряд недоліків це великий час (багато допоміжних операцій), важко піддається автоматизації і контролю, потрібна велика кількість обслуговуючого персоналу, обладнання дуже громіздке.

Найбільш поширеним способом є газове коксування, що має ряд переваг. В ході нього можна точно отримати задану концентрацію вуглецю в шарі; скорочується тривалість процесу, так як відпадає необхідність прогріву скриньок, наповнених малотеплопроводнимі карбюризатором. Забезпечується можливість повної механізації і автоматизації процесів і значно спрощується подальша термічна обробка виробів. При газовій цементації деталі нагрівають в атмосфері вуглець газів. Для цього використовують природні або штучні гази.

Основний реакцією, що забезпечує коксування при газовій цементації, є дисоціація оксиду вуглецю, що утворюється в процесі окислення вуглеводневих газів, і дифузія формується атомарного вуглецю в аустеніт за вищевказаними реакцій.

Газову цементацію часто виконують в безмуфельних або муфельних печах безперервної дії, а також в шахтних печах періодичної дії. При проведенні процесу в них для науглероживания застосовують гас, спирти і т. Д. Краплями подаються в піч. Висока термічна стійкість і хороша випаровуваність рідких вуглеводнів дозволяють в одному робочому просторі поєднати отримання газу і процес цементації.

У печах безперервної дії застосовують ендотермічну контрольовану атмосферу, в яку додають до 5% природного газу. Основна її перевага — можливість автоматично регулювати вуглецевий потенціал. Під ним розуміють науглероживается здатність атмосфери, що забезпечує певну концентрацію вуглецю на поверхні цементованного шару.

Для скорочення тривалості процесу широко використовують газову цементацію, при якій вуглецевий потенціал ендотермічної атмосфери спочатку підтримують високим, що забезпечує отримання в поверхневій зоні стали 1,2 — 1,3% С, а потім його знижують до 0,8% С.

Процеси цементації проводять при 930 — 950 ° С. При цьому сталь має структуру аустеніту, розчиняє до 2% С. Глибина цементованного шару залежить не тільки від температури, але і часу витримки. Зазвичай для отримання шару товщиною 1,0 — 1,5 мм, процес здійснюють за 8 — 12 годин.

Дифузія вуглецю можлива тільки в атомарному стані. Атомарний вуглець, утворюється в насичує середовищі, адсорбується поверхнею сталі і дифундує вглиб металу. Однак розчинення вуглецю можливо тільки в #&47;залізо. Тому при цементації сталь необхідно нагрівати вище лінії GS на діаграмі залізо-вуглець.

цементація

Ріс.56. Діаграма дифузійних процесів при цементації:

1 -лінія вихідного складу стали; 2-лінія складу поверхневого шару;

a, b- точки початку і кінця охолодження; затемнений ділянку — поверхневий шар

Цементованний шар має змінну концентрацію вуглецю по глибині, спадаючу від поверхні до серцевини деталі.

Вихідний склад стали відповідає лінії 1 (ріс.56). В результаті цементації вміст вуглецю на поверхні досягає приблизно 0,9% (лінія 2). Для цементації сталь нагрівається вище лінії GS до аустенитной зони (А), і в процесі насичення сталь знаходиться в однофазному стані. Після цементації складу стали по глибині (від поверхні до серцевини) змінюється по кривій, показаної на нижній частині малюнка 1. Після охолодження поверхнева зона (0,8-0,9% С) буде складатися з цементиту і перліту, потім слід зона перліту, далі зона фериту і перліту (первісна структура стали). Ефективну товщину цементованого шару за структурою прийнято вимірювати на металографічних шліфах в відпаленого стані при збільшенні від 100 до 500 крат. Кордоном цементованої зони вважається структура, що складається з 50% перліту і 50% фериту, що відповідає концентрації вуглецю рівною 0,4%.

При розгляді процесу охолодження поверхневої зони (лінія 2) видно, що спочатку (точка a) з аустеніту починає виділятися вторинний цементит, а потім при перетині з лінією евтектоїдних перетворення (точка b) аустеніт перетворюється в перліт і утворюється структура цементит і перліт. При охолодженні глибшого шару (лінія точки S) аустеніт зберігається до температури евтектоїдних перетворення, при якому він перетворюється в перліт. Серцевина стали (лінії 1) містить дуже мало вуглецю, тому при охолодженні з аустеніту починає виділятися феррит. Аустеніт при подальшому повільному охолодженні зазнає розпад з утворенням феррито-цементитной структури.

цементація

Ріс.57. Схема зміни структури і властивостей сталі при цементації:

а- діаграма залізо-вуглець; б — зміна змісту вуглецю і твердості сталі; в — схема зміни мікроструктури

Після повільного охолодження в структурі цементованого шару можна розрізнити три зони (ріс.57): заевтектоідних 1, що складається з перліту і вторинного цементиту, що утворює сітку по колишньому зерну аустеніту; евтектоїдних 2, що складається з одного пластинчастого перліту, і доевтектоїдної 3, що складається з перліту і фериту. Кількість фериту в цій зоні безперервно зростає в міру наближення до серцевини.

цементація

Ріс.58 — Мікроструктура цементованого шару сталі з вмістом

вуглецю менше 0,1%

За ефективну товщину цементованного шару зазвичай приймають суму заевтектоідной, евтектоїдной і половини перехідною (доевтектоїдної) областей — до 0,40 — 0,45% С або після гарту товщину до твердості HRC 50 або НV 500 — 600.

Товщина цементованного шару становить 1 — 2 мм, але може бути і більше. Ступінь цементації-це середній вміст вуглецю в поверхневому шарі (зазвичай не більше 1,2% С).

У зв’язку з цим після повільного охолодження в структурі науглероженного шару можна розрізнити (від поверхні до серцевини) три зони (pіc.58): заевтектоідних (а), що складається з перліту і вторинного цементиту, що утворює сітку по колишньому зерну аустеніту; евтектоїдних (б) з одного пластинчастого перліту і доевтектоїдної (в) з перліту і фериту.

При високій концентрації вуглецю на поверхні стали (більш 1,2-1,3%) в мікроструктурі утворюється груба цементітная сітка по межах зерен, що негативно позначається на міцності і зносостійкості. При насиченні сталі вуглецем дифузія його протікає зі швидкістю, що значно перевищує швидкість дифузії елементів, що входять в початковий склад стали, дифузія останніх практично не впливає на формування дифузійного шару і склад які виникають фаз.

Легуючі елементи в стали роблять різний вплив на масоперенос. Вони впливають на швидкість процесу цементації, глибину цементованого шару і концентрацію вуглецю в поверхневою зоні. Чи не карбидообразующие елементи, такі як нікель, кремній кобальт, прискорюють дифузію вуглецю в аустеніт, але одночасно з цим зменшують максимальний вміст вуглецю в поверхневою зоні. Карбидообразующие елементи навпаки знижують коефіцієнт дифузії вуглецю в аустеніт, але зате збільшують його зміст в поверхневій зоні.

Освіта карбідів веде до збіднення аустеніту легирующими елементами. Це веде до зменшення прокаливаемости стали. Таким чином, карбидообразующие елементи (Cr, W, Si) зменшують ефективний коефіцієнт дифузії вуглецю.

Легування стали не карбидообразующих елементами (Ni, Co) збільшують ефективний коефіцієнт дифузії вуглецю. Сила зв’язку з цим не карбидообразующих елементів з вуглецем менше, ніж з залізом, тому вони не можуть утруднити його дифузію. Крім того, вони спотворюють кристалічну решітку аустеніту. Чим сильніше спотворення кристалічної решітки аустеніту, тим більше ефективний коефіцієнт дифузії вуглецю.

Остаточні властивості цементованих виробів досягаються в результаті термічної обробки (ТО) після цементації. В результаті такої обробки цементовий шар набуває структуру мартенситу відпустки з дрібними включеннями карбідів, а серцевина складається з гартівних структур перлітного класу і фериту (ріс.59).

цементація

Ріс.59. Мікроструктура цементованого шару сталі після термообробки

Цією обробкою можна виправити структуру, подрібнити зерно серцевини і цементованого шару, неминуче збільшується під час тривалої витримки при високій температурі цементації. В результаті можна отримати високу твердість в цементувати шарі (60-62 HRC) і високі механічні властивості серцевини. У цементувати шарі усувається карбідна сітка на кордонах зерен, яка може виникнути при насиченні його вуглецем до заевтектоідной концентрації.

Застосовується кілька варіантів термічної обробки. Схеми різних варіантів термообробки наведені на ріс.60.

Після цементації вироби піддають гарту з відпусткою. Це забезпечує отримання в поверхневому шарі виробів високої твердості при збереженні м’якої в’язкої серцевини, виникнення напружень стиску, що збільшують межу витривалості і довговічність деталей.

Після закінчення газової цементації використовують загартування без повторного нагріву, а безпосередньо з печі після подстуживания виробів до 840 -860 ° С. Така обробка не виправляє структури науглероженного шару і серцевини і не призводить до подрібнення зерна. Тому вона може бути застосована тільки до спадково дрібнозернистої сталі. Для зменшення деформації цементованних виробів використовують ступінчасту загартування в гарячому маслі 160 — 180 ° С.

Іноді для відповідальних деталей термічна обробка складається з подвійної гарту і відпустки. Першу загартування (або нормалізацію) з нагріванням до 880 — 900 ° С призначають для виправлення структури серцевини. Крім того, при нагріванні в поверхневому шарі в аустените розчиняється цементітная сітка, яка при швидкому охолодженні знову не утвориться. Другу загартування проводять з розігрівом до 760 — 780 ° С для усунення перегріву цементованного шару і надання йому високої твердості. Недолік такої термічної обробки полягає в великому обсязі технологічного процесу, підвищеному викривленні, що виникає у виробах складної форми, і можливості окислення і зневуглецювання.

Заключною операцією термічної обробки цементованних виробів у всіх випадках є низький відпустку при 160 — 180 ° С, що переводить мартенсит гарту в поверхневому шарі у відпущений мартенсит.

цементація

Мал. 60. Схеми можливих варіантів термообробки після цементації

В результаті термічної обробки поверхневий шар набуває структуру мартенситу або мартенситу з невеликою кількістю залишкового аустеніту і надлишкових карбідів (ріс.61).

Твердість поверхневого шару для вуглецевої сталі становить HRC 60 — 64, а для легованої HRC 58 — 61; зниження твердості пояснюється утворенням підвищеної кількості залишкового аустеніту.

Серцевина деталей з вуглецевої сталі має структуру сорбіту. У легованих — бейнита або низьковуглецевого мартенситу. Низьковуглецеві мартенсит забезпечує підвищену міцність і достатню в’язкість серцевини. Твердість серцевини зазвичай становить HRC 30 — 40.

Цементацію рекомендується застосовувати для сталей, що володіють хорошою прокаливаемостью і закаліваемостью цементованого шару, які повинні забезпечити необхідний рівень міцності, зносостійкості і твердості. Прожарювана серцевини повинна регулюватися в дуже вузькому діапазоні твердості, який становить 30-43 HRC. У Цементовані спадково-дрібнозернистих сталей розмір зерна не повинен перевищувати 6-8 балів. В іншому випадку в ході цементації відзначається значне зростання зерна серцевини вироби, що призводить до зниження його експлуатаційних властивостей в умовах контактного тертя і знакозмінних навантаженнях.

Цементуемие стали прийнято розділяти на три групи:

1.Углеродістие стали з незміцнюється серцевиною (10, 15, 20);

2.Нізколегірованние стали зі слабо зміцнюючих серцевиною (15ХР, 20Х, 20ХНР, 18ХГТ);

3.Високолегірованние стали з серцевиною сильно зміцнюючих при термообробці (12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХНМА і ін.).

Деталі, подвергаемиецементаціі, призначені для роботи в умовах поверхневого тертя. Це шестерні, поршневі пальці, різні вали, осі, втулки і т.д.

цементація стали

Мета роботи. Ознайомитися з процесом цементації стали в твердій і газовій середовищі, з термічною обробкою після цементації і властивостями цементованной стали.

СУТНІСТЬ ПРОЦЕСУ цементації

Цементація — це хіміко-термічна обробка, при якій поверхня сталевих деталей насичується вуглецем.

Мета цементації — отримання на поверхні деталі високої твердості і зносостійкості в поєднанні з в’язкою серцевиною.

Цементації піддають сталі з низьким вмістом вуглецю 0,1 — 0,2%. Насичення поверхневого шару відбувається при нагріванні деталі до певної температури в середовищі, легко виділяє вуглець в активному стані. В результаті зміни хімічного складу поверхневого шару змінюється також його фазовий склад і мікроструктура. Основні параметри хіміко-термічної обробки — температура і тривалість витримки. Вона забезпечує отримання зміцненого шару однакової товщини від поверхні. На поверхні концентрація вуглецю досягає 1,1 — 1,2 %. Більш високий вміст вуглецю призводить до утворення значних кількостей вторинного цементиту, який повідомляє шару підвищену крихкість. Глибина цементованного шару залежить не тільки від температури, при якій здійснюється процес, але і від часу витримки при цій температурі (рис. I).

цементація

Зазвичай швидкість цементації становить приблизно 0,1 мм за 1 год витримки. Оскільки глибина цементованного шару рідко потрібно більше 0,5 мм, процес здійснюють, — за 8 — 12 годин. Цементацію проводять в твердому, рідкому і газоподібному карбюризаторів. Неділя, яка поставляє вуглець до поверхні деталі, що піддається цементації, називається карбюризатором.

Тверда цементація виробляється в спеціальних ящиках, в яких деталі 1 (см.ріс.2) укладаються поперемінно з карбюризатором 2. Ящики закриваються кришками і замазують вогнетривкою глиною для запобігання витоку газів.

цементація

В якості твердого карбюризатора використовують дубовий або Березовий деревне вугілля і активізатори ВаСО3 або Nа2 СО3 (Сода). При нагріванні до температури 930 — 950 ° С йдуть дифузійні процеси при яких утворюються активні атоми вуглецю дифундують в кристалічну решітку заліза. Процес цементації в твердому карбюризаторі проводять вище Ас3. коли сталь знаходиться в аустенітному стані, в якому розчиняється до 2 % вуглецю. Процес твердої цементації — тривала операція і займає в залежності від необхідної глибини цементації кілька годин. Така тривалість процесу пояснюється

цементація

малою швидкістю прогріву ящика, наповненого нетеплопровідного карбюризатором. Для контролю ходу процесу цементації в ящик через отвори вставляє два контрольних зразка (свідка) 3, виготовлених з тієї ж сталі. За зламу контрольних зразків судять, чи досягла глибина цементованного шару заданої величини. Збільшення швидкості цементації досягається застосуванням цементації в газових середовищах.

При газовій цементації (вперше була здійснена Аносова П.Д. на Златоустівській заводі) деталі нагрівають в герметичних печах в атмосфері вуглецевих газів. Для газової цементації використовують природний газ (містить до 92 — 96 % метану) або штучні гази, отримані піролізу рідких вуглеводнів — гасу, бензолу.

При газовій цементації герметично закрита реторта печі наповнена цементуючим газом. Найчастіше з певною швидкістю через неї проходить цементуючий газ (рис. 3). Газова цементація здійснюється в стаціонарних або методичних (безперервно діючих) конвеєрних печах. Цементуючий газ готують окремо і подають в цементаційна реторту.

В даний час газова цементація є основним процесом для масового виробництва, і тільки для дрібносерійного, або одиничного виробництва екноміческі доцільний більш простий спосіб твердої цементації.

Рідка цементація виробляється в розплавлених солях, зазвичай в солях, що складаються з карбонатів лужних металів. Цю суміш розплавляють в ванні і цементації проводять за допомогою занурення деталей в розплав. Процес ведуть при 850 ° С протягом 0,5 — 3,0 годин, при цьому глибина сдоя виходить в межах 0,2 — 0,5 мм. Основна перевага процесу — можливість безпосередньої гарту з цементаціонной ванни і малі деформації оброблених виробів.

В умовах індивідуального і дрібносерійного виробництва деякий застосування знайшла цементація з паст. У цьому випадку на оброблювану поверхню наноситься обмазка, яка містить сажу (33 — 70 %), деревний пил (20 — 60 %), жовту кров’яну сіль (5 — 20 %) і інші компоненти. В якості сполучних матеріалів використовують органічні, органомінеральні і неорганічні клеї. Товщина обмазки повинна бути в 6 — 8 разів більше необхідної товщини цементованного шару.

Як карбюризатора використовують також гас, бензол і деякі масла. Інтенсивність подачі визначають по

цементація

кількості крапель рідини в I хв і становить від 120 — 180 крапель.

Крім перерахованих видів цементації в останні роки з’явилися: цементація з паст, вакуумна цементація, цементація в псевдозрідженому шарі, іонна цементація, які призначені для цементації деталей складного профілю, відповідального призначення для скорочення тривалості процесу.

Термічна обробка цементованного ДЕТАЛЕЙ

Отриманий в результаті цементації і подальшого повільного охолодження зовнішній шар містить більше 0,8 % вуглецю і має структуру заевтектоідних сталей — перліт і вторинний цементит. Глибше лежить шар евтектоїдного складу з перлітною структурою, а далі — шар з ферито — перлітною структурою. Крім того, після цементації через тривалої витримки при високих температурах стали набуває грубозернистої.

Ці обставини необхідно враховувати при призначенні обов’язкової після цементації термічної обробки, Метою термообробки цементованной стали є зміцнення поверхні з одночасним подрібненням зерна і отриманням в’язкої серцевини. Залежно від призначення деталі застосовує різні варіанти термічної обробки. Менш відповідальні деталі піддають гарту безпосередньо з цементаційна нагріву з подальшим низьким відпусткою (рис. 4, а).

Велике зерно аустеніту, яке виросло в результаті тривалої цементації, дає .грубокрісталліческій мартенсит відпустки в поверхневому шарі і грубозернисту ферріто -перлітную структуру в серцевині деталі. Ці недоліки в певній мірі усуваються при використанні спадково дрібнозернистих сталей, застосуванні газової цементації, що скорочує час перебування стали при високій температурі. Використання подстуживания при загартуванню до 750 — 800 ° С знижує внутрішню напругу, а обробка холодом зменшує кількість залишкового аустеніту в цементованном шарі.

При більш високих вимогах до структури деталі після цементації: її піддають охолодженню на повітрі, одноразової загартуванню з нагріванням вище Ас3 і низькому відпуску (ряс. 4,6). При цьому в серцевині і на поверхні деталі відбувається перекристалізація і подрібнення зерна. Однак в поверхневому високовуглецевого шарі відбувається певний перегрів, так як оптимальний гартівний нагрів заевтектоідних сталей — це нагрівання вище Ac1. але нижче Азm .

Особливо відповідальні деталі після цементації піддають подвійний гарту з низьким відпусткою (рис. 4, в). При першій загартуванню з температури на 30 — 50 ° С вище АСЗ відбувається перекристалізація серцевини деталі з утворенням дрібного аустенітного зерна, що забезпечує дрібнозернистість продуктів розпаду. Одночасно при цьому цементітная сітка в цементованном шарі розчиняється.

При нагріванні під другу загартування мартенсит, отриманий після першої гарту, зазнає відпустку і при цьому утворюються глобулярні карбіди, що збільшують твердість поверхневого заевтектоідних шару. Крім того під час другої загартуванню з температури вище Ac1 на 30 — 50 ° С забезпечується дрібне зерно в поверхневому шарі.

Після такої термообробки поверхневий зазвтектоідний шар буде мати структуру відпущеного мартенситу з включеннями глобулярних карбідів. Структура серцевини визначається хімічним складом сталі. При цементації вуглецевої сталі через низьку прокаливаемости серцевина має ферито-перлітною структуру. Легована сталь при цементації дозволяє отримувати в серцевині структуру сорбіту, троостита або навіть мартенситу, але завдяки низькій концентрації вуглецю серцевина матиме високу ударну в’язкість.

На рис. 5 показана структура сталі, що містить у вихідній стані 0,15 % С, після цементації без додаткової термічної обробки (охолодження після цементації було повільним). Мікроструктура поверхневого цементованного шару складається з перліту і сітки цементиту. У міру віддалення від поверхні до серцевини кількість перліту безперервно зменшується і ближче до центру зразка — вихідна структура сталі, що складається з фериту і незначної кількості перліту.

На рас. 6 і 7 показана структура цементованной стали після остаточної термічної обробки, тобто нормалізації при 900 ° С, загартування від 770 ° С і відпустки при 150 ° С. Структура поверхневого сдоя -мартенсіт відпустки (див.рис. Б). Структура серцевини — мартенсит і ферит (рис. 7). Зразок загартувався наскрізь, але так як гарт була проведена від 770 ° С, то для серцевини це буде неповною загартуванням і в структурі поряд з мартенситом зустрічається феррит (світлі зерна).

Після цементації і термічної обробки твердість поверхневих шарів становить (НRC58 — 63).

цементація

Цементації піддають різноманітні деталі: зубчасті колеса, поршневі пальці, черв’яки, осі і інші деталі, іноді значних розмірів (наприклад, великогабаритні кільця і ​​ролики шарикопідшипників).

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Ознокоміться з правилами техніки безпеки.

Коротко викласти мета роботи і теорію питання.

Виміряти на приладі Роквелла твердість сталей до цементації і після цементації і термообробки.

Вивчити і схематично замалювати мікроструктури сталей, вказати структурні складові.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

Що розуміється під цементацией стали?

Яка мета цементації?

Які стали піддають цементації?

Від чого залежить глибина цементованного шару?

Для чого після цементації проводиться термообробка?

Що таке карбюризатор?

У чому суть твердої цементації?

Які речовини активізують процес цементації?

Чому процес твердої цементації більш тривалий у порівнянні з газовою цементацією?

Які речовини використовуються в якості карбюризаторів при твердій і газовій цементації?

Який спосіб цементації економічно доцільний?

Переваги та недоліки рідкої цементації?

Для чого виробляють термічну обробку цементованних деталей?

Яка структура шарів стали після цементації і термічної обробки?

Які варіанти термічної обробки після цементації стали?

Який термічній обробці піддають особливо відповідальні деталі після цементації?

Яка структура цементованних сталей після термічної обробки?

Яка твердість поверхневих шарів стали після цементації і термічної обробки?

Які деталі піддають цементації?

Список рекомендованої літератури

Гуляєв А.П. Металознавство: Учеб. для вузів. — 6-е изд. перераб. — М. Металургія, 1986. 647 с.

Металознавство і технологія металів / Под ред. Ю.П, Солнцева. — П. Металургія, 1988. 512 с.

3. Технологія металів і матеріалознавство / Под ред. Л.Ф. Усовой. — М «: Металургія, 1987. 800 с.

Лабораторна робота № 14

Цементація стали — технологічний процес і його опис. Цементація стали в домашніх умовах

цементація

Непрощенні помилки у фільмах, яких ви, ймовірно, ніколи не помічали Напевно, знайдеться дуже мало людей, які б не любили дивитися фільми. Однак навіть в кращому кіно зустрічаються помилки, які можуть помітити глядачі.

цементація

Ці 10 дрібниць чоловік завжди помічає в жінці Думаєте, ваш чоловік нічого не розуміє в жіночій психології? Це не так. Від погляду люблячого вас партнера не сховається жодна дрібниця. І ось 10 речей.

цементація

Як виглядати молодше: кращі стрижки для тих, кому за 30, 40, 50, 60 Дівчата в 20 років не хвилюються про форму і довжині зачіски. Здається, молодість створена для експериментів над зовнішністю і зухвалих локонів. Однак уже остан.

цементація

Несподівано: чоловіки хочуть, щоб їхні дружини робили частіше ці 17 речей Якщо ви хочете, щоб ваші відносини стали щасливішими, вам варто частіше робити речі з цього простого списку.

цементація

20 фото кішок, зроблених в правильний момент Кішки — дивні створіння, і про це, мабуть, знає кожен. А ще вони неймовірно фотогенічні і завжди вміють опинитися в правильний час в правил.

цементація

Навіщо потрібен крихітний кишеню на джинсах? Всі знають, що є крихітний кишеню на джинсах, але мало хто замислювався, навіщо він може бути потрібен. Цікаво, що спочатку він був місцем для хр.

Все про цементації металу на прикладі стали

Цементація, здійснювана в різних середовищах і виключно під впливом високих температур, є дуже поширеним методом хіміко-термічної обробки металу, успішно застосовуються вже не один десяток років.

цементація

Підготовка деталей для цементації

Сутність процесу цементації

Сенс будь-яких методів хіміко-термічної обробки металів, до числа яких належить і цементація стали, полягає в тому, що виріб нагрівають до високої температури в спеціальному середовищі (рідкої, твердої або газоподібної). Такий вплив призводить до того, що змінюється хімічний склад металу — поверхня виробу насичується вуглецем, в результаті стає більш твердою і зносостійкою. Що важливо, серцевина оброблених деталей залишається в’язкою.

Домогтися бажаного ефекту після такого впливу на метал можна лише в тому випадку, якщо обробці піддають низьковуглецеві сталі, в складі яких вуглецю міститься не більше 0,2%. Для того щоб виконати цементацию, виріб нагрівають до температури 850-950 градусів Цельсія, а склад середовища підбирають таким чином, щоб вона при нагріванні виділяла активний вуглець.

Якщо цементацию стали проводити кваліфіковано, можна не тільки змінити хімічний склад металевого виробу, але також перетворити його мікроструктуру і навіть фазовий склад. В результаті вдається значно зміцнити поверхневий шар деталі, надати йому характеристики, подібні з властивостями загартованої сталі. Для того щоб домогтися таких результатів, необхідно правильно підібрати параметри хіміко-термічної обробки металу — температуру нагрівання і час витримки виробу в спеціальному середовищі.

цементація

Устаткування для вакуумного цементації стали

Дана технологічна операція є досить тривалою за часом, так як процес насичення поверхневого шару стали вуглецем проходить дуже повільно (0,1 мм за 60 хвилин). З огляду на той факт, що зміцнений поверхневий шар для більшості виробів повинен становити не менше 0,8 мм, можна розрахувати, що на виконання цементації металу необхідно буде затратити не менше 8 годин. Основними типами середовищ для виконання цементації металу (або, як їх правильно називають, карбюризаторами) є:

  • газоподібні середовища;
  • розчини електролітів;
  • пастоподібні середовища;
  • киплячий шар;
  • тверді середовища.

Найбільш поширеними є газоподібні і тверді карбюрізатори.

цементація

Залежність товщини цементованного шару від часу і температури обробки

Проведення цементації стали в твердому середовищі

Найчастіше для виконання цементації металу в твердому середовищі використовується суміш, що складається з вуглекислого натрію, барію або кальцію і березового або дубового деревного вугілля (70-90%). Перед цим всі компоненти такої суміші подрібнюються до фракції 3-10 мм і просіваються, що необхідно для видалення занадто дрібних частинок і пилу.

Після того, як компоненти суміші для хіміко-термічної обробки металу підготовлені, їх можна змішати декількома способами.

  • Компоненти суміші (сіль і вугілля) ретельно перемішуються в сухому стані. Якщо знехтувати цією вимогою, то після закінчення процесу цементації на поверхні виробу можуть утворитися плями.
  • Сіль розчиняють у воді і отриманим розчином поливають деревне вугілля, після чого його просушують до досягнення вологості не більше 7%.

Слід зазначити, що другий спосіб краще, оскільки дозволяє отримати суміш з більш рівномірним складом.

цементація

Як в виробничих, так і в домашніх умовах цементація виробів зі сталі виконується в ящиках, в які засипаний карбюризатор. Щоб поліпшити якість поверхневого шару оброблюваного металу, а також скоротити час, що йде на прогрівання ящиків, найкраще виготовляти їх максимально наближеними до розмірів і форм деталей.

Оптимальні умови для протікання цементації стали можна створити, виключивши витік газів, що утворюються в карбюризаторі в процесі нагрівання. Для цього ящики, у яких повинні бути щільно закриваються кришки, ретельно обмазують вогнетривкою глиною перед приміщенням в піч.

Природно, використовувати спеціально виготовлені скриньки доцільно лише в промислових умовах. Для цементації металу в домашніх умовах застосовують ящики стандартних розмірів і форми (квадратні, прямокутні, круглі), підбираючи їх залежно від кількості оброблюваних деталей і внутрішніх розмірів печі.

Оптимальним матеріалом для таких ящиків є жаростійкий сталь, але може бути використана і тара з маловуглецевих сплавів. Технологічний процес цементації виробів з металу виглядає наступним чином.

цементація

Наочне зображення зміни структури після цементації

  • Підготовлені для обробки деталі укладають в ящики, пересипаючи шарами карбюризатора.
  • Наповнені ящики, обмазані вогнетривкої глиною, поміщають в попередньо прогріту піч.
  • Виконують так званий наскрізний прогрів ящиків з деталями, при якому вони нагріваються до температури 700-800 градусів Цельсія. Про те, що ящики добре прогрілися, судять за кольором подовой плити: на ній не повинно бути темних плям в місцях зіткнення з тарою.
  • Температуру в печі піднімають до 900-950 градусів Цельсія. Саме при таких значеннях проводять цементацію стали.

Висока температура і спеціальне середовище, в якій знаходиться метал, сприяють тому, що відбувається дифузія атомів активного вуглецю в кристалічну решітку стали. Слід зазначити, що виконання цементації стали можливо в домашніх умовах, але часто не дозволяє домогтися бажаного ефекту. Пояснюється це тим, що для процесу цементації необхідна тривала витримка деталі при високій температурі. Як правило, це важко забезпечити в домашніх умовах.

Цементація деталей в газовому середовищі

Авторами даної технології є С. Ільїнський, Н. Минкевич і В. Просвірін, які під керівництвом П. Аносова вперше використовували її на комбінаті в м Златоусті. Суть даної технології полягає в тому, що оброблювані деталі з металу нагріваються в середовищі вуглецевих газів, які можуть бути штучного або природного походження. Найчастіше використовується газ, який утворюється при розкладанні продуктів нафтопереробки. Такий газ одержують у такий спосіб:

  • нагрівають сталеву ємність і подають в неї гас, який при випаровуванні розкладається на суміш газів;
  • склад деякої частини (60%) отриманого газу модифікують (крекирування).

Отримана суміш і використовується для виконання хіміко-термічної обробки стали.

цементація

Процес цементації стали

Якщо цементацию стали провести з застосуванням тільки піролізного газу, без додавання крекірованного, то глибина науглероженного шару буде недостатньою. Крім того, в такому випадку на поверхні оброблюваної деталі осяде великий шар сажі, на видалення якого може піти багато часу і сил.

Печі, які використовуються для виконання газової цементації металу, повинні герметично закриватися. На сучасних виробничих підприємствах застосовують два основних типи таких печей: методичні та стаціонарні. Сам процес цементації в газовому середовищі виглядає наступним чином. Оброблювані деталі поміщають в піч, температуру в якій доводять до 950 градусів Цельсія. У нагріту піч подають газ і витримують в ньому деталі певний час.

У порівнянні з цементацією стали з використанням твердого карбюризатора, дана технологія має ряд вагомих переваг:

  • забезпечення найкращих умов для обслуговуючого персоналу;
  • висока швидкість досягнення необхідного ефекту за рахунок того, що деталі в газовому середовищі можуть витримуватися меншу кількість часу (до того ж не потрібен час для приготування твердого карбюризатора).

цементація

Цементація стали в домашніх умовах

У яких ще середовищах може проводитися цементація стали

Окремі сорти вуглецевих, низьковуглецевих і легованих сталей. зокрема 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А і ін. можуть проходити цементацию в інших середовищах.

В такому середовищі можна науглероживается тільки деталі, що відрізняються невеликими розмірами. Грунтується цей метод на анодном ефекті, завдяки якому і відбувається насичення поверхні металу вуглецем, що містяться в розчині електроліту. Для того щоб розчин містив достатню кількість активного вуглецю, в нього додають гліцерин, ацетон, сахарозу та інші речовини. Перед тим, як помістити деталь зі сталі в розчин, його нагрівають до температури 450-1050 градусів Цельсія (в залежності від оброблюваного металу і розмірів деталі). Для розігріву розчину використовують електричний струм з напругою 150-300 В.

Цементацію стали за даною технологією проводять в середовищі розпеченого газового потоку, який формується при проходженні метану і ендогаз через шар нагрітого мелкоизмельченного (0,05-0,2 мм) корунду.

Для науглероживания поверхні металу за даною технологією використовуються спеціальні пасти, що складаються з жовтої солі, деревного пилу і сажі. Перед обробкою деталь обмазують такою пастою і просушують, а тільки потім нагрівають до температури 910-1050 градусів Цельсія за допомогою струмів високої частоти.

З якої б технології не була виконана цементація стали, після її закінчення рекомендується провести відпустку металу.

Цементація стали — навіщо і як проводиться операція?

Одним з часто застосовуваних способів хіміко-термічної обробки металу є цементація стали, яка може здійснюватися в різних середовищах при досить високих температурах.

зміст

  1. Процес цементації стали — загальні відомості
  2. Цементація стали в твердому середовищі — в домашніх умовах і на підприємстві
  3. Газова цементація — оптимальний варіант для масової обробки виробів
  4. Цементація в менш поширених карбюризаторів

1 Процес цементації стали — загальні відомості

Під хіміко-термічною обробкою стали розуміють процес нагріву виробів в рідкої, газової або твердому середовищі з метою зміни їх хімічного складу, яке досягається за рахунок насичення вуглецем поверхневого шару оброблюваних об’єктів. Така зміна істотно підвищує зносостійкість і твердість деталей. Причому їх серцевина залишається в’язкою.

Процес цементації дає очікувані результати в тих випадках, коли обробляються низьковуглецевих сталі, в яких вміст вуглецю не перевищує показника в 0,2 відсотка. Поверхневий шар вироби насичується при його нагріванні до певної температури (від 850 до 950 ° С) в спеціально підібраною середовищі, здатної без проблем виділяти активний вуглець.

цементація

При зазначених умовах модифікується не тільки хімічний склад деталі, але і її мікроструктура, а також фазовий склад. Поверхня виробу стає зміцненої, по суті, вона отримує характеристики, аналогічні тим, які виходять після гарту металу. При цьому дуже важливо правильно підібрати тривалість витримки стали і температуру цементації.

цементація

Цементування стали — це досить тривалий процес. Як правило, швидкість насичення поверхні і отримання їй особливих властивостей дорівнює приблизно 0,1 міліметр за 60 хвилин витримки. Для більшості деталей потрібно зміцнений шар більше 0,8 мм, а значить, процес займе не менше 8 годин. Зараз цементацию виробляють в наступних середовищах (їх називають карбюризаторами):

  • в газовій;
  • в пастообразной;
  • у твердій;
  • в розчинах електролітів;
  • в киплячому шарі.

Найчастіше, використовується цементація в газовому та твердому карбюризаторі.

2 Цементація стали в твердому середовищі — в домашніх умовах і на підприємстві

Твердий карбюризатор робиться з суміші вуглекислого натрію, барію або кальцію з деревним вугіллям (березовим або дубовим), який дробиться на невеликі фракції (від 3 до 10 мм), а потім з метою видалення пилу просівається. Солі також необхідно подрібнити до порошкоподібного стану і пропустити через сито.

Безпосередньо суміш готується за двома методиками:

  • суха сіль і вугілля перемішуються максимально ретельно, щоб виключити ймовірність утворення плям в процесі хіміко-термічної обробки сталі;
  • деревне вугілля поливається сіллю, яку перед цим розчиняють у воді, потім вийшла композицію висушують (вологість готової суміші повинна бути не більше 7%).

цементація

Друга методика визнається в рази якісніше першої, так як гарантує отримання рівномірної суміші для насичення поверхонь вуглецем. Деревного вугілля в готовому карбюризаторі — від 70 до 90%, решта — вуглекислий кальцій і вуглекислий барій.

Здійснюється тверда цементація в ящиках з карбюризатором. Оптимально, якщо ящики виробляють за формою тих виробів, які передбачається обробляти, так як в цьому випадку якість цементованного шару поліпшується, а час, що йде на прогрівання «тари», знижується. Щоб виключити витік газів, ящики замазують глиною (вогнетривкої) і накривають щільно прилеглими кришками.

Відзначимо, що «тару» спеціальної форми (під конкретний вид виробів) економічно доцільно виготовляти і використовувати тільки тоді, коли хіміко-термічній обробці піддається безліч деталей. Найчастіше ж застосовуються стандартні за формою (квадратні, круглі і прямокутні) ящики з різними геометричними параметрами, що дозволяє вибирати їх в залежності від числа виробів і розміру печі.

цементація

Як матеріал для ящиків виступає малоуглеродистая або (що краще) жаростійкий сталь. А сам процес обробки в твердому карбюризаторі проводиться за такою схемою:

  • вироби, які слід наситити вуглецем, укладають поперемінно з приготовленою сумішшю в ящики;
  • піч нагрівається до 900-950 ° С, в неї і подається «тара»;
  • виконують прогрів ящиків при температурі від 700 до 800 градусів (такий прогрів називають наскрізним), сигналізатором достатнього рівня нагріву служить однорідний колір подовой плити (без темних місць під ящиком);
  • піднімають до 900-950 ° С температуру в печі.

При зазначеній температурі проходить дифузія в кристалічну структуру металу активного вуглецю (його атомів). Теоретично можлива навіть цементація будинку, є чимало умільців, які виконують даний процес самостійно. Але ефективність «домашньої» цементації знаходиться на низькому рівні через тривалість обробки і необхідності забезпечити високу температуру процесу.

3 Газова цементація — оптимальний варіант для масової обробки виробів

Теоретичні основи такої цементації були розроблені С. Ильинским, Н. Мінкевича і В. Просвірін, а вперше здійснили її на Златоустівській комбінаті під керівництвом П. Аносова. Процес проводиться в середовищі вуглецевих газів (генераторних, штучних, природних) в повністю герметичних нагрівальних печах. Найпопулярнішим штучним газом є склад, який виходить при розкладанні нафтопродуктів. Виготовляють його наступним чином:

  • в сталеву нагріту ємність подають гас, проходить піроліз (розкладання гасу на суміш газів);
  • деякий обсяг піролізного газу (близько 60%) крекирующую (модифікують його складу).

цементація

Комбінацію крекірованного газу і чисто піролізного використовують для проведення хіміко-термічного процесу науглероживания. Необхідність в отриманні крекірованного газу обумовлена ​​тим, що при використанні тільки піролізного складу виходить недостатня глибина цементування стали, а на деталях, крім того, осідає дуже багато сажі, яку не так вже й просто видаляти.

Процес газової цементації проводиться в конвеєрних печах безперервної дії (в методичних) або в стаціонарних агрегатах. У муфель печі поміщають вироби, які хочуть зміцнити, закривають установку, підігрівають її до 950 градусів, а потім подають підготовлений газ. Переваги подібної процедури в порівнянні з обробкою деталей в твердому карбюризаторі:

цементація

  • кращі умови для робітників;
  • прискорення процесу за рахунок малої витримки виробів і відсутності потреби в довгому приготуванні карбюризатора з використанням вугілля.

4 Цементація в менш поширених карбюризаторів

Цементація стали 20, 15, а також низьковуглецевих легованих сталей (20ХГНР, 20Х2Н4А, 20Х, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХНЗА та інших) може здійснюватися в інших карбюризаторів:

  • Розчин електроліту. Обробка даного типу базується на анодном ефекті, який дає можливість насичувати в багатокомпонентних електролітах (точніше — в їх розчинах) вуглецем малі за розмірами деталі. Їх розігрівають до температур від 450 до 1050 градусів під напругою 150-300 В. Додатково в електроліт додають сахарозу, ацетон, гліцерин, деякі інші речовини, що містять вуглець. цементація
  • Киплячий шар. Такий шар являє собою висхідний потік метану і ендогаз, «пронизує» дрібні фракції корунду (від 0,05 до 0,2 міліметрів), що поміщаються на пічну газорозподільну решітку.
  • Пасти. Цементація в цьому карбюризаторі виконується нанесенням шару пасти (жовта сіль, деревний пил, сажа) на металеву науглероживается деталь, її просушування, а потім нагріванням (до 910-1050 ° С) струмом високої або промислової частоти. цементація

Після цементації рекомендовано проводити додаткову термообробку стали, наприклад, відпустку. Допускається і шліфування металу (зміцнених деталей).

Трубогиб ручний ТР і інші марки — розглядаємо типи цього пристосування цементація

У цій статті ми розглянемо різні механічні трубогиби, які можна використовувати руками, застосовуючи тільки мускульну.

Види зварювальних апаратів — огляд популярних моделей цементація

Стаття підкаже вам, яке спеціальне обладнання має сенс придбати, якщо ви плануєте проводити роботи по.

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

цементація

Стрічкова пила (стрічкові пилки)

  • цементація

    Кольорові метали та сплави

    цементація

    цементація

    цементація

    цементація

    цементація

    цементація

    Конструкційні стали і сплави

  • цементація

    цементація


    Внимание, только СЕГОДНЯ!
  • Закладка Постоянная ссылка.

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *