Особливості цементації металів: технологія процесу, вибір робочої середовища

Під час виготовлення металевих конструкцій доводиться вдаватися до різних методів хіміко-термічної обробки. Серед них досить поширеним є цементація сталі. Цей спосіб примітний тим, що може застосовуватися в різних середовищах при відносно високих температурах робочого середовища.

Процес цементації металу — загальні відомості

Хіміко-термічна обробка або цементація, це процедура, при якій на вироби впливають високою температурою при приміщенні їх в рідку, газову або тверду середовище, що робиться для додання їм зміненого хімічного складу. Причому цей ефект забезпечує насичення вуглецем поверхневого шару оброблюваних об’єктів. Завдяки такій обробці можна забезпечити виробам високі характеристики стійкості до зносу і підвищену твердість. Примітно те, що серцевина цих деталей зберігає свою початкову в’язкість.

Ефективність методу цементації спостерігається за умови, що робота проводиться з низьковуглецевих сталей, у складі яких частка вуглецю не перевищує значення 0,2%. Термічна обробка забезпечує насичення поверхневого шару деталей, причому для цього їх поміщають у спеціально підібрану середу, яка може легко виділити активний вуглець, де підтримується температура в діапазоні від 850 до 950 градусів Цельсія.

Створення таких умов обробки дозволяє змінювати крім хімічного складу оброблюваних елемента і мікроструктуру разом з фазовим складом. Позитивний ефект від такої обробки полягає у підвищенні міцності, в результаті за характеристиками така деталь не відрізняється від виробів, які пройшли операцію загартування. Для досягнення найкращих результатів особливу увагу слід приділити грамотному розрахунку часу, протягом якого деталь повинна витримуватися в створюваній середовищі, а також підбору температури цементації.

Особливістю цементації сталі є те, що на цю процедуру йде досить багато часу. Найчастіше процес насичення поверхні і надання їй спеціальних властивостей проходить зі швидкістю близько 0,1 мм за один повний час витримки. Багато елементи потребують створення зміцненого шару товщиною більше 0,8 мм, що дозволяє говорити про те, що на цю обробку доведеться витратити як мінімум 8 годин. На поточний момент технологія цементації металу передбачає використання кількох середовищ:

  • газові;
  • пастоподібні;
  • тверді;
  • розчини електролітів;
  • киплячий шар.

Зазвичай при виборі середовища для обробки металу використовують газові та тверді карбюризаторы.

Цементація металу в твердому середовищі

В якості матеріалу для твердого карбюризатора використовується суміш вуглекислого натрію, барію або кальцію з деревним вугіллям, який необхідно застосовувати в подрібненому вигляді, представленому фракціями розміром близько 3-10 мм Причому обов’язково цю основу необхідно просіяти, щоб прибрати пил. Обов’язковою процедурою, якій піддаються солі, є подрібнення з метою надання їм порошкоподібного стану, після чого цю масу просіюють через сито.

Для створення суміші можуть застосовуватися два основних способи:

  • В якості основних компонентів використовується суха сіль і вугілля, які необхідно грунтовно перемішати один з одним, тим самим вдасться знизити до мінімуму ризик появи плям під час хіміко-термічної обробки сталі;
  • На підготовлений деревне вугілля потрібно лити сіль, попередньо змішану з водою до розчинення. Далі створену на основі цих компонентів масу необхідно помістити для висушування, причому оптимально, коли вологість суміші не перевищує 7%.

З цих методик найбільш прийнятною є друга через її більш високої якості. Це проявляється в тому, що з її допомогою можна створити більш рівномірну суміш для насичення поверхні вуглецем. У складі готового карбюризатора на частку деревного вугілля припадає близько 70-90%, а решту займає вуглекислий кальцій і вуглекислий барій.

Для проведення твердої цементації застосовують ящики, куди поміщають карбюризатор. Краще всього використовувати ящик, відповідний формі оброблюваних виробів. Справа в тому, що це допоможе поліпшити якість цементованого шару, при цьому вдасться скоротити до мінімуму час, який потрібен для прогріву тари. Важливо подбати про відсутність витоку газів: цю проблему вирішують шляхом замащування ящиків глиною, а потім накривають зверху герметичними кришками.

Важливим моментом є і те, що вдаватися до розглянутого варіанта створення для безпосереднього використання тари спеціальної форми має сенс у тих випадках, коли необхідно обробити за допомогою хіміко-термічного методу велику кількість деталей. Найбільше поширення отримали ящики, що мають стандартну форму, які відрізняються геометричними розмірами. Це дає можливість підбирати з них найбільш оптимальний варіант, який найбільшою мірою враховує кількість оброблюваних виробів і розміри печі.

Зазвичай ящики виготовляють на основі маловуглецевої або жаростійкої сталі. Причому при виконанні обробки деталей за допомогою твердого карбюризатора дотримуються наступної схеми:

  • Потребують насичення вуглецем деталі слід розмістити з чергуванням в ящику, заповненому заздалегідь приготовленою сумішшю;
  • Далі готують до роботи піч, для чого її прогрівають до температури 900-950 градусів, потім туди розміщується робоча тара;
  • Сама операція по прогріванню скриньки виконується при температурі від 700 до 800 градусів. Визначити, що ящики прогрілися достатньо, можна за подової плиті, яка повинна мати однорідний колір;
  • На заключному етапі температуру печі доводять до позначки 900-950 градусів Цельсія.

Створення зазначеного температурного режиму забезпечує умови для проникнення дифузії в кристалічну структуру металу активного вуглецю. Теоретично цей метод може застосовуватися і для хіміко-термічної обробки будівель, причому окремі майстри здатні впоратися з цим завданням і своїми силами. Проте в плані ефективності подібна обробка, проведена в домашніх умовах, відрізняється досить невисокою ефективністю, причиною чого є довга обробка і необхідність у створенні високого температурного режиму.

Газова цементація

Авторами теоретичних матеріалів, в яких розкривається суть подібної цементації, є С. Іллінський, Н. Мінкевич та Ст. Просвірін. При цьому перший досвід практичного втілення мав місце на Златоустівській комбінаті, де всіма роботами керував П. Аносов.

Особливістю цього методу є використання середовища вуглецевмісних газів, в якості основного робочого обладнання виступають герметичні нагрівальні печі. Серед відомих штучних газів найчастіше використовують складу, який є результатом розкладання нафтопродуктів. Технологія його виготовлення передбачає проведення кількох етапів:

Необхідно взяти сталеву ємність, нагріти її і заповнити гасом, далі ж приступають до виконання процесу піролізу, який передбачає розкладання гасу на суміші газів;

Певну частину піролізного газу (приблизно 60%) піддають крекированию, суть якого зводиться до зміни складу.

Суміш крекированного газу і чисто піролізного виступає основою, за допомогою якої виконується хіміко-термічна обробка, що забезпечує збагачення вуглецем. Займатися виробленням крекированного газу доводиться з тієї причини, що у разі застосування одного піролізного складу глибина цементування стали виявляється невеликий, при цьому оброблювані деталі покриваються великою кількістю сажі, яку складно прибрати.

В якості обладнання для виконання газової цементації використовуються конвеєрні печі безперервної дії або стаціонарні агрегати. Деталі, яким необхідно надати більш міцні характеристики, кладуть в муфель печі, а після закриття доводять температуру всередині до позначки 950 градусів. Далі починають подавати туди підготовлений газ. З плюсів цієї процедури, яка вирізняється на фоні обробки виробів за допомогою твердого карбюризатора, необхідно виділити наступні:

  • створення більш комфортних умов для персоналу;
  • скорочення часу, необхідного на виконання обробки, що досягається завдяки зменшенню терміну витримки деталей і відсутності необхідності в тривалому готуванні карбюризатора на основі вугілля.

Цементація в менш популярних карбюризаторах

У ситуації, коли доводиться піддавати хіміко-термічної обробки сталі 20, 15, а також леговані сталі з низьким вмістом вуглецю, допускається використовувати наступні карбюризаторы.

Розчин електроліту

Суть такого методу зводиться до використання анодного ефекту, за рахунок якого можна збагатити за допомогою багатокомпонентних електролітів вуглецю вироби, які характеризуються невеликими розмірами. Обробка цих деталей вимагає створення температурного режиму в діапазоні 450-1050 градусів і напруги 150-300 Ст. Обов’язковою операцією є введення в електроліт сахарози, ацетону, гліцерину, а також окремих речовин, що мають у своєму складі вуглець.

Киплячий шар

По своїй структурі він має вигляд висхідного потоку метану і ендогаза, що «пронизує» дрібні частинки корунду, розподіляються на грубній газорозподільної решітці.

Пасти

Застосування подібного карбюризатора для обробки виробів передбачає створення на поверхні сталевої деталі, потребує збагачення вуглецем, шару пасти, її подальший просушування і нагрівання струмом високої або промислової частоти. Варто зауважити, що однією цементацією обробку деталі не слід закінчувати. Рекомендованої тут операцією є термообробка стали в вигляді відпустки. Також позитивний ефект досягається і за допомогою шліфування металу.

Висновок

Досить часто певним конструкцій потрібно надати підвищені характеристики міцності, щоб вони змогли успішно виконувати завдання, які перед ними ставиться. Вирішується ж це шляхом використання різних методів обробки, серед яких досить ефективним є цементація металу. При цьому для отримання необхідного результату потрібно враховувати важливі особливості цього процесу.

Крім грамотного підбору робочого середовища, для цементації металу важливо точно дотримуватися технології проведення подібної обробки. Адже найменша помилка здатна негативно вплинути на хімічний склад виробу, що в подальшому може зменшити термін служби конструкції, у складі якої воно застосовується. З цієї причини важливо приділяти увагу кожному моменту, не допускаючи відхилень від діючих норм і правил щодо проведення хіміко-термічної обробки металевих деталей.

Ссылка на основную публикацию