Что такое цементация способы цементации

Цементация металла

Чтобы на поверхности металла образовался твердый износостойкий слой, прибегают к методу цементации. Завод металлоконструкций ЧЗМК выполняет различные виды обработки стали.

Сущность и назначение процесса цементации

Эта технология еще называется науглероживанием. Классическая цементация металла предполагает обработку при повышенной температуре в среде, богатой углеродами. Изначально это были твердые вещества, но сегодня используют и другие методы. Чтобы закрепить эффект, в конце необходима закалка с низким отпуском.

Цементацию называют эффективным видом химико-термической обработки, а применяют в отношении нескольких видов металла:

• низкоуглеродистой стали, в которой уровень содержания углерода колеблется в пределах 0,1% – 0,18%;
• низкоуглеродистых легированных сплавов;
• металлов, в которых углерода содержится в объеме 0,2% – 0,3%, то есть среднеуглеродистых, при условии, что это крупногабаритные детали.

К цементации стали прибегают, четко рассчитывая, насколько глубоко необходимо насыщение углеродом. Хотя условно этот слой называют поверхностным, глубина воздействия разнится, в зависимости не только от вида металла, но и от размера изделия. В среднем насыщение углеродом при цементации затрагивает толщину до 0,5 – 2 мм. Однако для очень мелкой и тонкостенной детали границу уменьшают – вплоть до 0,1 – 0,3 мм. При цементации крупного и массивного изделия из металла углерод может проникать и в глубину, превышающую отметку в 2 мм.

Методы цементации металлов и сплавов

Выделяют несколько способов достижения вышеупомянутой цели. В первую очередь для цементации стали необходим карбюризатор. Это углеродосодержащие вещества, которыми и производят обработку металла при высокой температуре. Протекают процессы цементации и твердой, и в жидкой, и в газовой среде. Благодаря современным технологиям метод совершенствуется. И цементация металла теперь выполняется даже в специальных вакуумных печах.

Цементация с использованием твердой среды

Эта технология – одна из древнейших из числа химико-термических обработок металла. Считается, что ее начали использовать еще в 12 веке, если не раньше. Для цементации необходимы два ключевых условия:

1. Погружение детали в карбюризатор.
2. Поддержание высокой температуры.

В качестве карбюризатора для такого процесса цементации используют несколько видов веществ. Это может быть торфяной кокс либо каменноугольный полукокс. Но к ним добавляют активизаторы. Также возможно применение древесного угля в зернах, поперечник которых составляет в пределах 3.5 – 100 мм.

Процесс цементации начинается в того, что детали помещают в специальный ящик из стали. Важно, чтобы он запирался герметично – традиционно используется песчаный затвор. Важно правильное погружение изделий в карбюризатор – для достижения желаемой цели все стороны металла должны контактировать с углеродосодержащим веществом. Но при этом избегают контакта детали с деталью, как и со стенками ящика.

Выполнив подготовительные работы, переходят непосредственно к цементации. Это значит, что ящик отправляют в печь, где поддерживается высокая температура. Как правило, прогрев достигает 900 – 950 градусов. Ящик с изделиями из металла выдерживают при нужной температуре в течение определенного времени. Сколько именно выполнять цементацию, рассчитывают индивидуально.

Как правило, внутреннее содержимое доходит до нужной температуры за один час. После этого цементацию продолжают из расчета – 1 час на 0,1 мм цементированного слоя. Соответственно, для насыщения углеродом металла на глубину до 1 мм понадобится 10 часов.

Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют и в ускоренном темпе. Главное условие этого способа – повышение температуры в печи до 980 градусов. Тогда и скорость насыщения изделий углеродом повышается. Например, проникновение на глубину 1 мм возможно всего за 5 часов. Но ускоренную цементацию при повышенной температуре используют реже. Дело в том, что процесс сопровождается формированием так называемой цементитной сетки. В результате обработка металла становится более длительной и трудозатратной: предстоит многократно пройтись по поверхности изделия, выполняя нормализацию – нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение.

Процесс цементации в газовой среде

На современных заводах поставленной цели чаще добиваются, используя газовую углеродосодержащую среду. Благодаря новым решениям удается ускорить и упростить процесс. Принципиально он отличается от цементации в твердом карбюризаторе тем, что заготовки не нужно погружать в ящик, распределяя равномерно среди древесного угля или другого вещества. В целом все так же необходимо подержать изделия в печи при высокой температуре.

Цементацию в газовой среде удается выполнить ускоренными темпами благодаря специфике процесса. Ее выбирают для обработки заготовок большими партиями. Процедуру отличают следующие достоинства:

• Можно максимально точно задать концентрацию углерода в поверхностном слое металла.
• Так как нет необходимости в предварительном прогреве ящика, сокращается время выполнения операции.
• Процессы по максимуму автоматизированы и механизированы.

Цементацию в газовой среде фактически совмещают с последующими этапами обработки изделий. Например, закалка осуществляется из цементационной печи.

Для достижения необходимой цели используют такие газы, как метан и пропанбутановые смеси, к которым добавлены жидкие углеводы. Температура для успешной цементации рассчитывается исходя из характеристик заготовки и сплава. Традиционно процесс протекает в температурном диапазоне от 910 до 930 градусов. Преимущественно цементацию в газовой среде выполняют в печи шахтного типа. Длительность процедуры тоже разная – она может длиться от шести и до 12 часов.

Проведение цементации в жидкой среде

Этот способ предполагает использование специальной соляной ванны. В ее составе преобладает карбонат натрия – до 85%. К нему добавляют карбид кремния. Для поддержания процесса насыщения изделия углеродом температура поддерживается в пределах 880-900 градусов. Как правило, за полчаса удается пройти слой толщиной до 0,15 – 0,2 мм.

Процесс цементации в таком случае предполагает, что ванну приходится освежать каждые три часа. Для этого в массу вводят 0,5% карбида кремния. Еще понадобится введение углекислого натрия.

Недостаток способа заключается в том, что каждые полтора месяца такая ванна нуждается в полной замене. Кроме того, цементацию в жидкой среде нецелесообразно осуществлять, когда необходимо выполнить насыщение углеродом на глубину больше 0,2 мм. Преимущественно к ваннам прибегают, когда необходимо обработать презентационные либо тонкостенные изделия.

Цементация в вакууме

В данном случае предполагается воздействие на сплав при помощи температуры, цементационного газа в условиях пониженного давления. Для этого в печи создают газовую среду, в составе которой природный газ, чистый метан либо пропан. Газом-носителем может выступать азот.

Температура в оборудовании нагнетается до 980 – 1050 градусов. Давление колеблется от 7 до 55 пПа. Немаловажно, что газ постоянно циркулирует в печи, выполняя цементацию.

Для данного способа химико-термической обработки необходимо высокотехнологичное механизированное и автоматизированное оборудование. Поскольку оно должно неизменно удерживать давление и температуру на заданном уровне, параллельно осуществляя циркуляцию газа. Зато результат процесса превосходит все ожидания: детали выходят из печи светлыми, с чистыми поверхностями. Изделия не деформируются и не коробятся. Вакуумную цементацию выбирают, чтобы свести к минимуму потребность в окончательной доводке.

Способы цементации пастами

Вместо твердого карбюризатора, используют специальные пасты, чтобы ускорить и упростить задачу. Это масса, в которую входит древесно-угольная пыль и сажа, углекислый натрий и желтая кровяная соль. Еще в состав включают декстрин. Чтобы выполнить цементацию, необходимо развести смесь до консистенции, напоминающей густую сметану. Для этого используют раствор канцелярского клея в воде или керосине.

Детали погружают прямо в массу, но возможно нанесение состава кисточкой. Чтобы произошло насыщение поверхностного слоя углеводородом на глубину до 1 – 1,5 мм, понадобится покрытие пастой толщиной до 3-4 мм. Изделия располагают в цементационном ящике, который отправляют в печь. Там поддерживается температура в пределах 920 – 930 градусов.

В электролитическом растворе

Для повышения прочности металла и отвердения поверхностного слоя изделия погружают в многокомпонентные растворы электролитов. Способ называют скоростным, используется он применительно к небольшим деталям.

В данном случае температуру выставляют в пределах 450 – 1050 градусов. Поскольку это электрохимико-термическая обработка, используется постоянное напряжение от 150 до 300 В. Чтобы поддерживать температуру в нужных границах, анод от электролита отделен при помощи специальной парогазовой оболочки. Достижению цели способствует введение в электролит так называемых веществ-доноров. К ним относят сахарозу и глицерин, ацетон и этиленгликоль.

Можно ли цементировать сталь в домашних условиях

Поскольку для успешного процесса необходимо создать весьма специфические условия, включая крайне высокие температуры, дома практически невозможно выполнить насыщение металлических заготовок углеродом. Кроме того, важен профессиональный подход, чтобы добиться четко поставленной цели, не испортив изделия, а придав металлу желаемые характеристики.

Свойства металла после обработки

Ключевое отличие такого метода химико-термической обработки – в его результате. Благодаря цементации металла в результате насыщения поверхности углеродом при высокой температуре наружный слой получается крайне твердый и прочный. Сердцевина изделия при этом остается сравнительно вязкой. С таким сочетанием характеристик металлы обретают повышенную стойкость к контактным нагрузкам. После цементации твёрдая поверхность защищает вязкую сердцевину от деформации. На Череповецком заводе металлоконструкций есть все необходимое оборудование для химико-термической обработки, а высокая компетенция сотрудников служит гарантией достижения цели.

Источник

Что такое цементация стали и как ее сделать в домашних условиях?

Накоплено множество методов обработки металлических конструкций. Одним из них является цементация стали; что это, как сделать в домашних условиях, можно понять, изучив основные технологические приемы процесса.

Общие сведения

В старину топоры из сырого железа помещали в герметичный глиняный горшок, наполненный углем, и ставили в печь на несколько суток. Внешние слои насыщались углеродом под действием жара. Инструмент получал твердую поверхность, сохраняя мягкую, пластичную сердцевину. Сущность технологии сохранилась, прием получил развитие, стал распространенным и разделился на несколько ветвей.

Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Назначение такой термообработки в том, чтобы изменить (усилить) некоторые характеристики поверхностного слоя металлического изделия:

1. 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.
2. 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.

Газовая цементация

В машиностроении распространена технология насыщения верхнего слоя стальных изделий углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Известно, что такое производство удобно для массовой обработки деталей, так как:

1. Допускается регулирование плотности газов; тем самым формируется углеродистый слой с заданными свойствами.
2. Полный цикл термообработки (цементация, закалка, промывка и отпуск) проходит в одном месте — в шахтной (цементационной) печи.
3. Процесс экономичен, механизирован и автоматизирован.
4. Коробы с карбюризатором не нуждаются в прогреве, что сокращает время протекания цементации.
5. Скорость науглероживания деталей возрастает в 2 – 3 раза (сравнивая с другими методами), однородность слоя выше.
6. Температуру газовой смеси углеводородов (метан и окись углерода), доводят до 900-950°С.
7. После цементации технологическую цепочку завершает отпуск (закаливание).

В твердом карбюризаторе (твердая)

В качестве среды-донора углерода используют древесный уголь; как вариант — торфяной кокс, каменноугольный полукокс. Смесь дополняют активизаторами (углекислый натрий, барий или кальций).

Для качественного насыщения уголь измельчают до частиц размером 3-10 мм, а затем просеивают, чтобы избавиться от пыли. Активизаторы также измельчают и просеивают, стремясь придать солям вид мелкого порошка.

Процесс цементации стали проходит в несколько этапов:

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

Это условие вполне достижимо в домашней мастерской. Несмотря на очевидные преимущества, у метода есть и недостатки: трудоемкость и низкая производительность.

Перед обжигом готовится твердая смесь (карбюризатор). Она состоит из смеси древесного угля с углекислыми солями бария, натрия или кальция. Соли предварительно измельчают до порошкообразного состояния, а затем просеивают, чтобы добиться однородности. Доля древесного угля в смеси — 70-90%, остальное приходится на соли.

Смесь создается одним из двух способов:

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

Этапы цементации в твердой среде:

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

Твердая цементация стали допускает неоднократное использование карбюризатора. Для повторного отжига к отработанному карбюризатору достаточно добавить до 30% свежей смеси.

Для большинства ответственных машинных деталей (валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, лемехи, шпиндели) достаточной считается глубина цементированного слоя от 0,6 до 2 мм. Время выдержки для приобретения достаточной твердости может варьироваться от 6 до 20 часов.

Изделия после цементации в твердом карбюризаторе получаются прочными, но хрупкими. Чтобы избавится от нежелательного свойства, детали подвергают термообработке (закалке) с нагревом до 840-850°С, с последующим отпуском (нагревом до 780-800°С), снимающим внутренние напряжения.

Графитом

Цементацию стали в домашних условиях можно проводить несколько иным способом, без нагревания в печи.

Для домашних условий применим способ цементации металла с использованием графитового порошка, как вещества с хорошей электропроводимостью. При закалке в графите нагрев идет только по режущей кромке.

Для организации рабочего места потребуется:

1. Графитовый порошок, измельчённый в пыль (даёт мельче искры).
2. Источник питания (понижающий трансформатор); для комфортной работы графитовым электродом достаточно 6-12 В.
3. Провода достаточного сечения.
4. Металлическая подложка (поддон, уголок или кусок профиля).
5. Предмет, на котором предварительно желательно убрать зазубрины (мелкой шкуркой).

• 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.

1. 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.
2. 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.

1. 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.
2. 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 %.

Видео: цементация (закалка).

Цементация в кипящем слое

Промышленный метод, протекающий в специальной установке (печи кипящего слоя). Основа метода — получение псевдожидкого состояния сыпучего вещества (корунда) в смеси раскаленных газов (в экзогазе). Температура распределяется равномерно по всему объему печи, что уменьшает деформацию предметов и их коробление.

Обработку изделия не заканчивают цементацией; рекомендуется провести термообработку (отпуск) или отшлифовать его. Чтобы достичь необходимого уровня прочности при цементации и закрепить его твердость, необходимо правильно соблюдать условия технологического процесса.

Источник