Цементація, здійснювана у різних середовищах і виключно під впливом високих температур, що є дуже поширеним методом хіміко-термічної обробки металу, успішно застосовуються вже не один десяток років.
Підготовка деталей для цементації
Сутність процесу цементації
Сенс будь-яких методів хіміко-термічної обробки металів, до числа яких належить і цементація сталі, полягає в тому, що виріб нагрівають до високої температури в спеціальному середовищі (рідкому, твердому або газоподібному). Такий вплив призводить до того, що змінюється хімічний склад металу – поверхню оброблюваного 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, у складі яких вуглецю міститься не більше 0,2%. Для того щоб виконати цементацію, виріб нагрівають до температури 850-950 градусів Цельсія, а склад середовища підбирають таким чином, щоб вона при нагріванні виділяла активний вуглець.
Якщо цементацію 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, схожі з властивостями загартованої сталі. Для того щоб домогтися таких результатів, необхідно правильно підібрати параметри хіміко-термічної обробки металу – температуру нагріву і час витримки оброблюваного виробу в спеціальному середовищі.
Обладнання для вакуумної цементації сталі
Дана технологічна операція є досить тривалою у часі, так як процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем проходить дуже повільно (0,1 мм за 60 хвилин). Враховуючи той факт, що зміцнений поверхневий шар для більшості виробів повинен складати 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 карбюризаторы.
Залежність товщини цементованного шару від часу і температури обробки
Проведення цементації сталі 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 дуже дрібних часток і пилу.
Після того, як компоненти суміші для хіміко-термічної обробки металу підготовлені, їх можна змішати кількома 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.
Деревновугільний карбюризатор
Як у виробничих, так і в домашніх умовах цементація виробів із сталі виконується у ящиках, які засипаний карбюризатор. Щоб поліпшити якість поверхневого шару оброблюваного металу, а також скоротити час, що витрачається на прогрів ящиків, найкраще їх виготовляти максимально наближеними до розмірів і форм деталей.
Оптимальні умови для протікання цементації сталі можна створити, відкинувши витік газів, що утворюються в карбюризаторе в процесі нагріву. 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 та форми (квадратні, прямокутні, круглі), підбираючи їх залежно від кількості оброблюваних деталей і внутрішніх розмірів печі.
Оптимальним матеріалом для таких ящиків є жаростійка сталь, але може бути використана і тара з маловуглецевих сталей. Технологічний процес цементації виробів з металу виглядає наступним чином.
Наочне зображення зміни структури після цементації
- Підготовлені для обробки деталі укладають в ящики, пересипаючи шарами карбюризатора.
- Наповнені ящики, обмазані вогнетривкою глиною, поміщають у 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 подової 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 цементацію проводять сталі.
Висока температура і спеціальна середовище, в якому знаходиться метал, сприяють тому, що відбувається дифузія атомів активного вуглецю в кристалічну решітку сталі. Слід зазначити, що виконання цементації сталі можливо в домашніх умовах, але часто не дозволяє досягти 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. Іллінський, Н. Мінкевич та Ст. Просвірін, які під керівництвом П. Аносова вперше використовували її на комбінаті р. в 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 отримують наступним способом:
- нагрівають сталеву ємність і подають до неї гас, який при випаровуванні розкладається на суміш газів;
- склад деякої частини (60%) отриманого газу модифікують (крекирование).
Отримана суміш і використовується для виконання хіміко-термічної обробки сталі.
Процес цементації сталі
Якщо цементацію стали провести з застосуванням тільки піролізного газу, без додавання крекированного, то глибина науглероженного шару буде недостатньою. Крім того, в такому разі 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 і стаціонарні. Сам процес цементації в газовому середовищі виглядає наступним чином. Оброблювані деталі поміщають у піч, температуру в якій доводять до 950 градусів Цельсія. В нагріту піч подають газ і витримують в ньому деталі певний час.
У порівнянні з цементацією сталі з використанням твердого карбюризатора, дана технологія має ряд вагомих переваг:
- забезпечення кращих 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 сталі в домашніх умовах
В яких ще середовищах може проводитися цементація сталі
Окремі сорти вуглецевих, низьковуглецевих і легованих сталей, зокрема 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А та ін., можуть проходити цементацію в інших середовищах.
Електролітичний розчин
В такому середовищі можна науглероживать тільки деталі, що відрізняються невеликими розмірами. Даний метод ґрунтується на анодному ефект, 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 з сталі в розчин, його нагрівають до температури 450-1050 градусів Цельсія (в залежності від оброблюваного металу та розмірів деталі). Для розігрівання розчину використовують електричний струм з напругою 150-300 Ст.
Киплячий шар
Цементацію стали за даною технологією проводять у середовищі розпеченого газового потоку, що формується при проходженні метану і ендогаза через шар нагрітого подрібненого (0,05–0,2 мм) корунду.
Пастоподібні суміші
Для навуглерожування поверхні металу за даної технології використовуються спеціальні пасти, які складаються з жовтою солі, деревної 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.
За якою б технології не була виконана цементація сталі, після її закінчення рекомендується провести відпустку металу.