Цементация это насыщение поверхностного слоя стали

Цементация стали

Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

• в твёрдом карбюризаторе
• в газовом карбюризаторе
• в кипящем слое
• в растворах электролитов
• в пастах

Содержание

Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 900-950 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

При «ускореном» режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией.

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Цементация в кипящем слое

Цементация в слое мелких частиц (0,05-0,20 мм) корунда, через который проходит восходящий поток эндогаза с добавкой метана (кипящий слой). При прохождении газа частицы становятся подвижными и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

Цементация в растворах электролитов

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450–1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит кроме электропроводящего компонента вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).

Цементация в пастах

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6-8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910-1050°С

Ссылки

• Лексика.РУ — Морской словарь, ЦЕМЕНТАЦИЯ   (рус.) . Архивировано из первоисточника 13 февраля 2012.
• Лексика.РУ — Технический железнодорожный словарь, ЦЕМЕНТАЦИЯ   (рус.) . Архивировано из первоисточника 13 февраля 2012.
• Энциклопедия «Производство Труб» — Глоссарий   (рус.) .

• Диффузионное насыщение поверхности металла
• Металлургия
• Материаловедение
• Электрохимия
• Технологии машиностроения

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Цементация стали» в других словарях:

Цементация стали — Цементация стали, разновидность химико термической обработки, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1‒0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель Ц. ‒ повышение твёрдости… … Большая советская энциклопедия

ЦЕМЕНТАЦИЯ — стали химико термическая обработка диффузионное насыщение поверхности стальных изделий углеродом для повышения твердости, износостойкости и предела прочности. После цементации изделия подвергают закалке на мартенсит с последующим отпуском … Большой Энциклопедический словарь

ЦЕМЕНТАЦИЯ — лат., от caementum, цемент. Прокаливание вещества вместе с другим в плотно закрытых тиглях. Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней. Михельсон А.Д., 1865. ЦЕМЕНТАЦИЯ превращение железа в… … Словарь иностранных слов русского языка

ЦЕМЕНТАЦИЯ — ЦЕМЕНТАЦИЯ, цементации, мн. нет, жен. 1. Покрытие, заполнение (скважин, трещин и т.п.) цементом для укрепления (тех.). Цементация горных пород в шахтах. Цементация скважин. 2. Насыщение поверхности мягкой стали или железа углеродом для создания… … Толковый словарь Ушакова

ЦЕМЕНТАЦИЯ — ЦЕМЕНТАЦИЯ, и, жен. 1. см. цементировать. 2. Насыщение поверхностных слоёв стали или железа углеродом для создания твёрдого поверхностного слоя (спец.). 3. Геологический процесс сцепления составных частей горных пород растворёнными минеральными… … Толковый словарь Ожегова

ЦЕМЕНТАЦИЯ (химико-термическая обработка) — ЦЕМЕНТАЦИЯ стали, химико термическая обработка диффузионное насыщение поверхности стальных изделий углеродом для повышения твердости, износостойкости и предела прочности. После цементации изделия подвергают закалке на мартенсит с последующим… … Энциклопедический словарь

ЦЕМЕНТАЦИЯ — насыщение поверхностного слоя мягкой стали углеродом для придания ей высокой поверхностной твердости с сохранением вязкой сердцевины. В броне Ц. подвергается только наружная поверхность. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное… … Морской словарь

ЦЕМЕНТАЦИЯ — 1) процесс насыщения углеродом поверхностного слоя изделий из железа или мягкой стали. Ц. дает возможность получить большую твердость на поверхности изделия с сохранением его мягкой нехрупкой середины. Производится Ц. путем нагревания изделия… … Технический железнодорожный словарь

ЦЕМЕНТАЦИЯ ЖЕЛЕЗА — свойство железа под влиянием высокой температуры, в присутствии веществ, содержащих углерод, соединяться с этим последним и таким образом приближаться по содержанию углерода к стали. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка.… … Словарь иностранных слов русского языка

ЦЕМЕНТАЦИЯ — (1) в цветной металлургии гидрометаллургический процесс извлечения металлов из растворов хим. восстановлением более электроотрицательными металлами. Применяется для извлечения меди, серебра, золота и др.; (2) Ц. стали химико термическое насыщение … Большая политехническая энциклопедия

Цементация

Химико-термической обработкой (ХТО) называют поверхностное насыщение стали соответствующими элементами путем их диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах.

ХТО следует рассматривать как физико-химический процесс взаимодействия металла с газовой средой. Он включает три элементарные стадии:

1. образование атомарного диффундирующего элемента;
2. контактирование его с поверхностью стального изделия и проникновение в кристаллическую решетку;
3. диффузия атомов насыщающего элемента в глубь металла.

Глубина проникновения зависит от температуры и продолжительности процессов. Диффузионные процессы протекают легче при образовании твердых растворов внедрения (углерод, азот) по сравнению с твердыми растворами замещения. В результате в поверхностном слое могу образовываться твердые растворы переменной концентрации или химические соединения.

Целью ХТО является повышение прочности, твердости, коррозионной стойкости и износостойкости поверхностного слоя. Основными видами ХТО являются цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование, борирование.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом.

Цементацию проводят при температурах выше точки Ас₃ (930… 950 0 С), когда аустенит может растворять углерод в большом количестве. Окончательные свойства достигаются в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые стали (0,10… 0,23 % С), которые практически не упрочняются закалкой. Толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5…1,8 мм. Концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8…1,2 %; твердость слоя 50…62 НRС.

Цементацию можно проводить в твердом и газовом карбюризаторе.

Цементация твердым карбюризатором

Этот процесс проводится в древесном угле или каменноугольном полукоксе и торфяном коксе, к которым добавляют активаторы. Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20…35 % ВаСО₃ и 3,5 % СаСО₃, который добавляют для предотвращения спекания частиц карбюризатора.

Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики. На дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20…30 мм, на который укладывают первый ряд деталей. Их засыпают слоем карбюризатора толщиной 10…15 мм, а на него укладывают следующий слой деталей и т.д. Последний ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35…40 мм. Ящик закрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь. Нагрев до температуры цементации составляет от 7 до 9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Время выдержки может достигать 14 часов. После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400…500 0 С и затем открывают.

Цементация стали осуществляется атомарным углеродом. Кислород, который находится в ящике взаимодействует с углеродом карбюризатора, образуя оксид углерода СО (из-за недостатка кислорода), который в присутствии железа диссоциирует:

Этот атомарный углерод диффундирует в аустенит. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу оксидом углерода:

Газовая цементация

Процесс осуществляется нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. В качестве карбюризатора используют природный газ, состоящий почти полностью из метана (СН₄) и пропанбутановых смесей, а также жидких углеводородов (керосина, бензола), из которых пиролизом получает СО. Основными реакциями получения атомарного углерода являются диссоциация оксида углерода или метана:

В печах непрерывного действия для цементации применяют эндотермическую атмосферу, состоящую из 95…97 % эндогаза (20 % СО, 40 % Н₂ и 40 % N₂) и 3…5 % природного газа.

Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе: можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса; значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Цементация стали

Цементация металла – это вид термической обработки металлов с использованием дополнительного химического воздействия. Атомарный углерод внедряется в поверхностный слой, тем самым его насыщая. Насыщение стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Процесс цементации

Целью цементация стали является повышение эксплуатационных характеристик детали. Они должны быть твердыми, износостойкими снаружи, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.

Для достижения данных требований требуется высокая температура, среда, выделяющая свободный углерод. Процесс цементации применим к сталям с содержанием углерода не больше двух десятых долей процента.

Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают с использованием печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При такой температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решетки стали.

Цементация деталей достаточно продолжительный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Не трудно подсчитать, что требуемый для длительной эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.

Влияние на глубину слоя продолжительности цементации

На графике наглядно показано на сколько зависит продолжительность по времени от глубины наугрероживаемого слоя и температуры нагрева.

Технологически цементация сталей производится в различных средах, которые принято называть карбюризаторами. Среди них выделяют:

• твердую среду;
• жидкую среду;
• газовую среду.

Поверхностный слой, получаемый цементацией

Стали под цементацию обычно берутся легированные или же с низким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и подобные им.

Способы цементации

Цементация получила широкое распространение при обработке зубчатых колес и других деталей, работающих при ударных нагрузках. Высокая твердость рабочих поверхностей обеспечивает продолжительный срок работы, а достаточно вязкая середина позволяет компенсировать ударные нагрузки.

Разработаны множество способов науглероживания. Чаще всего используются следующие:

• в твердой среде;
• в жидкости;
• в газе;
• в вакууме.

Как происходит процесс цементации с использованием твердой среды

В качестве твердого карбюризатора берется смесь древесного угля (береза, дуб) и соли угольной кислоты с кальцием и другими щелочными металлами. Количество древесного угля может достигать 90%. Для приготовления смеси компоненты дробятся для улучшения выхода углерода. Размер частиц не должен превышать 10 мм. Так же не должно быть микроскопических частив в виде пыли и крошек, поэтому смесь просеивается.

Цементация стали в твердой среде

Для получения готовой смеси пользуются двумя способами. Первый – соль с углем в сухом состоянии тщательно перемешивается. Второй способ – из соли получают раствор. Для этого ее разводят в воде, а после чего этим раствором обильно смачивают древесный уголь. Перед помещением в печь уголь сушат. Его влажность не должна превышать 7%. Получение карбюризатора последним способом более качественно.

Смесь насыпается в ящики. После чего в них помещают детали. Для исключения оттока газа, получаемого во время нагрева, ящики подвергаются герметизации. Плотно закрывающую крышку дополнительно замазывают шамотной глиной.

Ящики подбираются в зависимости от формы детали, их количества и объема засыпанной смеси. Обычно они бывают прямоугольными и круглыми. Материалом для изготовления ящиков может служить сталь как жаростойкая, так и низкоуглеродистая.

Технологический процесс цементации стали можно представить в следующем порядке:

• Детали, предназначенные под цементацию, закладываются в металлические ящики, при этом равномерно пересыпаются угольным составом.
• Ящики герметизируются и подаются в заранее нагретую печь.
• Первоначально производится прогрев до температурных показаний порядка 700С — 800С.
• Контроль прогреваемости производится визуально. Ящики и подовая плита имеют равномерный цвет без затемненных пятен.
• Далее температуры в печи увеличивают до требующихся 850С 950С. В данном диапазоне происходит диффузия внедрения атомов углерода.
• Длительность выдерживания деталей в печи напрямую зависит от требуемой толщины слоя.

Как происходит процесс цементации в газовой среде

Цементация стали в среде газов производится при массовом выпуске деталей. Глубина цементации не превышает 2-х мм. Используемые газы – естественные или искусственные газы, содержащие углерод. Обычно используется газ, получающийся при распаде нефтепродуктов.

Цементация стали в газовой среде

Его получают в большинстве случаев нагреванием керосина. Больше половины газа подвергают модификации, его крекируют.

Активный углерод при данном способе обработки получается при распаде, и формула имеет следующий вид:

2СО=СО2+С

СН4=2Н2+С

Если пиролизный газ использовался без модифицированного, то в результате обогащенный слой металла будет недостаточным. К тому же пиролизный газ создает обильную сажу.

Печи для данного способа цементации должны быть герметичными. Обычно пользуются стационарными печами, но как вариант методическими.

Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

Подвергаемые цементации изделия помещаются в печь. Температура поднимается порядка 910С — 950С. Производится подача газа в печь. Выдержка в газовой среде определенное время.

Длительность термического воздействия составляет 15 часов при температуре в 920С с получаемым слоем 1,2 мм. Для ускорения производственного процесса температуру поднимают. Уже при 1000С получить такой же науглероженный слой возможно за 8 часов.

В последнее время широкое применение нашел способ проведения процесса в эндотермической среде. Во время активного науглероживания в газовой среде поддерживается значительный потенциал углерода за счет введения природного газа (пропана, бутана или метана). На этот период концентрация газ из нефтепродуктов устанавливается на уровне 1%.

Процесс проведения цементации в жидкой среде

Жидкая среда – это расплавленные соли. В качестве солей используются карбонаты металлов, правда, металлы должны быть щелочными с низкой температурой плавления. Температура проведения цементации при данном методе составляет 850С. Процесс происходит во время погружения деталей в ванну с расплавом и выдерживании их там.

Цементация стали в жидкой среде

Цементация в жидкой среде отличается не большим насыщенным слоем, который не превышает 0,5 мм. Соответственно времени занимает до 3 часов. Среди достоинств следует отметить: обработанные детали имеют незначительную деформацию, а также возможна закалка без промежуточного этапа.

Как происходит процесс цементации в вакууме

Недостаточное давление, создаваемое в печи, значительно сокращает время проведения обработки. Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

• При данном методе детали помещаются в холодную печь.
• После герметизации камеры нагрева в ней создается вакуум.
• Затем производят нагрев до требуемой температуры.
• Производится выдержка, которая занимает до часа по времени. За это время выравнивается температура и с поверхности нагретых деталей осыпаются загрязнения, мешающие науглероживанию.
• Затем подается в камеру углеводородный газ под давлением. За счет чего происходит активная фаза обогащения поверхностного слоя.
• На следующем этапе происходит диффузионное внедрение углерода. На этом этапе в камере опять создают вакуумическое давление.
• За короткий промежуток времени не получается требуемого науглероженного слоя, поэтому процесс повторяют до тех пор, пока не получится требуемая глубина. Обычно результат получается за три стадии.
• Охлаждение до температуры окружающей среды происходит в печи под действием инертных газов под разным давлением.

Печь для вакуумной цементации

Процесс полностью компьютеризирован. За подачей газа, температурой, давлением следит программа, отвечающая за весь технологический процесс. Среди достоинств следует отметить:

• регулирование количества углерода;
• отсутствие кислорода предотвращает образование окислов;
• газ проникает даже в отверстия минимального диаметра;
• чередование процессов происходит при равных условиях;
• полная автоматизация; сокращенные сроки.

Процесс проведения цементации пастами

При производстве разовых работ рациональнее пользоваться пастами для проведения цементации. В составе пасты находятся: сажа с пылью древесного угля. Толщина слоя наносимой пасты должна быть восьмикратно увеличена для получения требуемого насыщенного слоя.

После нанесения состав просушивается. Для процесса цементации используются индукционные высокочастотные печи. Температура проведения процесса достигает 1050С.

Как происходит процесс цементации в электролитическом растворе

Процесс во многом схож с гальваническим покрытием. В нагретый раствор электролита помещается заготовка. Подведенный ток вызывает получение активного углерода и способствует его проникновению в поверхность стальной заготовки.

Таким способом подвергают обработке детали, имеющие небольшой размер. Параметры для прохождения цементации: напряжение тока – 150-300В, температура 450-1050С.

Свойства металла после обработки

После проведения цементации твердость науглероженного слоя достигает: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры металла.

Структура стали после цементации

Для исправления крупного зерна металла детали после цементации подвергаются повторному нагреву и закалке с последующим отпуском или нормализацией.

Закалка производится при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счет получения перлита и феррита.

Вместо закалки для легированных сталей производят нормализацию. После сквозного прогрева в середине детали образуется мартенсит. Нагрев детали зависит от марки стали, из которой она была изготовлена.

Режимы термической обработки стали после цементации

В качестве заключительной фазы проводят низкотемпературный отпуск, который позволяет устранить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.

Недостатки цементации

Как было выше сказано основным недостатком после цементации остается изменение структуры металла. В связи с этим требуется дополнительная обработка, что увеличивает время и так длительного процесса цементации.

Для проведения работ требуется обученный и высококвалифицированный персонал. Среди недостатков следует выделить необходимость подготовки карбюризатора.

В заключение стоит отметить, что цементация позволяет использовать, стали с низким содержанием углерода для изготовления ответственных деталей с длительным сроком эксплуатации, что значительно снижает конечную стоимость.

Для защиты поверхностей, не предназначенных под цементацию, пользуются пастами, намеднением или закладывают увеличенные допуски под обработку.