Особенности цементации металлов

Во время изготовления металлических конструкций приходится прибегать к различным методам химико-термической обработки. Среди них достаточно распространенным является цементация стали.

Этот способ примечателен тем, что может применяться в разных средах при относительно высоких температурах рабочей среды.

Процесс цементации металла — общие сведения

Химико-термическая обработка или цементация, это процедура, при которой на изделия воздействуют высокой температурой при помещении их в жидкую, газовую или твёрдую среду, что делается для придания им измененного химического состава. Причем этот эффект обеспечивает насыщение углеродом поверхностного слоя обрабатываемых объектов. Благодаря такой обработке можно обеспечить изделиям высокие характеристики устойчивости к износу и повышенную твердость. Примечательно то, что сердцевина этих деталей сохраняет свою начальную вязкость.

Эффективность метода цементации наблюдается при условии, что работа проводится с низкоуглеродистыми сталями, в составе которых доля углерода не превышает значения 0,2%. Термическая обработка обеспечивает насыщение поверхностного слоя деталей, причем для этого их помещают в специально подобранную среду, которая может легко выделить активный углерод, где поддерживается температура в диапазоне от 850 до 950 градусов Цельсия.

Создание подобных условий обработки позволяет изменять помимо химического состава обрабатываемых элемента и микроструктуру вместе с фазовым составом. Положительный эффект от такой обработки заключается в повышении прочности, в результате по характеристикам такая деталь не отличается от изделий, прошедших операцию закалки. Для достижения наилучших результатов особое внимание следует уделить грамотному расчету времени, в течение которого деталь должна выдерживаться в создаваемой среде, а также подбору температуры цементации.

Особенностью цементации стали является то, что на эту процедуру уходит достаточно много времени. Чаще всего процесс насыщения поверхности и придания ей специальных свойств проходит со скоростью около 0,1 мм за один полный час выдержки. Многие элементы нуждаются в создании упрочненного слоя толщиной более 0,8 мм, что позволяет говорить о том, что на эту обработку придется потратить как минимум 8 часов. На текущий момент технология цементации металла предусматривает использование нескольких сред:

• газовые;
• пастообразные;
• твердые;
• растворы электролитов;
• кипящий слой.

Обычно при выборе среды для обработки металла используют газовые и твёрдые карбюризаторы.

Цементация металла в твердой среде

В качестве материала для твердого карбюризатора используется смесь углекислого натрия, бария или кальция с древесным углем, который необходимо применять в измельченном виде, представленном фракциями размером порядка 3-10 мм. Причем обязательно эту основу необходимо просеять, чтобы убрать пыль. Обязательной процедурой, которой подвергаются соли, является измельчение с целью придания им порошкообразного состояния, после чего эту массу просеивают через сито.

Для создания смеси могут применяться два основных способа:

• В качестве основных компонентов используется сухая соль и уголь, которые необходимо основательно перемешать друг с другом, тем самым удастся снизить до минимума риск появления пятен во время химико-термической обработки стали;
• На подготовленный древесный уголь нужно лить соль, предварительно смешанную с водой до растворения. Далее созданную на основе этих компонентов массу необходимо поместить для высушивания, причем оптимально, когда влажность смеси не превышает 7%.

Из этих методик наиболее предпочтительной является вторая ввиду ее более высокого качества. Это проявляется в том, что с ее помощью можно создать более равномерную смесь для насыщения поверхности углеродом. В составе готового карбюризатора на долю древесного угля приходится порядка 70-90%, а остальное занимает углекислый кальций и углекислый барий.

Для проведения твердой цементации применяют ящики, куда помещают карбюризатор. Лучше всего использовать ящик, соответствующий форме обрабатываемых изделий. Дело в том, что это поможет улучшить качество цементированного слоя, при этом удастся сократить до минимума время, которое требуется для прогрева тары. Важно позаботиться об отсутствии утечки газов: эту проблему решают путем замазывания ящиков глиной, а затем накрывают сверху герметичными крышками.

Важным моментом является и то, что прибегать к рассматриваемому варианту создания для непосредственного использования тары специальной формы имеет смысл в тех случаях, когда необходимо обработать посредством химико-термического метода большое количество деталей. Наибольшее распространение получили ящики, имеющие стандартную форму, которые различаются геометрическими размерами. Это дает возможность подбирать из них наиболее оптимальный вариант, который в наибольшей степени учитывает количество обрабатываемых изделий и размеры печи.

Обычно ящики изготавливают на основе малоуглеродистой или жаростойкой стали. Причем при выполнении обработки деталей при помощи твердого карбюризатора придерживаются следующей схемы:

• Нуждающиеся в насыщение углеродом детали следует разместить с чередованием в ящике, заполненном заранее приготовленной смесью;
• Далее готовят к работе печь, для чего ее прогревают до температуры 900-950 градусов, затем туда размещается рабочая тара;
• Сама операция по прогреву ящика выполняется при температуре от 700 до 800 градусов. Определить, что ящики прогрелись достаточно, можно по подовой плите, которая должна иметь однородный цвет;
• На заключительном этапе температуру печи увеличивают до отметки 900-950 градусов Цельсия.

Создание указанного температурного режима обеспечивает условия для проникновения диффузии в кристаллическую структуру металла активного углерода. Теоретически этот метод может применяться и для химико-термической обработки зданий, причем отдельные мастера способны справиться с этой задачей и своими силами. Однако в плане эффективности подобная обработка, проводимая в домашних условиях, отличается довольно невысокой эффективностью, причиной чего является долгая обработка и необходимость в создании высокого температурного режима.

Газовая цементация

Авторами теоретических материалов, в которых раскрывается суть подобной цементации, являются С. Ильинский, Н. Минкевич и В. Просвирин. При этом первый опыт практического воплощения имел место на Златоустовском комбинате, где всеми работами руководил П. Аносов.

Особенностью этого метода является использование среды углеродсодержащих газов, в качестве основного рабочего оборудования выступают герметичные нагревательные печи. Среди известных искусственных газов чаще всего используют состав, являющийся результатом разложения нефтепродуктов. Технология его изготовления предусматривает проведение нескольких этапов:

Необходимо взять стальную емкость, нагреть ее и заполнить керосином, далее же приступают к выполнению процесса пиролиза, подразумевающего разложение керосина на смеси газов;

Определенную часть пиролизного газа (примерно 60%) подвергают крекированию, суть которого сводится к изменению состава.

Смесь крекированного газа и чисто пиролизного выступает основой, при помощи которой выполняется химико-термическая обработка, обеспечивающая обогащение углеродом. Заниматься выработкой крекированного газа приходится по той причине, что в случае применения одного пиролизного состава глубина цементирования стали оказывается небольшой, при этом обрабатываемые детали покрываются большим количеством сажи, которую сложно убрать.

В качестве оборудования для выполнения газовой цементации используются конвейерные печи непрерывного действия или же стационарные агрегаты. Детали, которым необходимо придать более прочные характеристики, кладут в муфель печи, а после закрытия доводят температуру внутри до отметки 950 градусов. Далее начинают подавать туда подготовленный газ. Из плюсов этой процедуры, которая отличается на фоне обработки изделий при помощи твердого карбюризатора, необходимо выделить следующие:

• создание более комфортных условий для персонала;
• сокращение времени, необходимого на выполнение обработки, что достигается благодаря уменьшению срока выдерживания деталей и отсутствию необходимости в длительном приготовлении карбюризатора на основе угля.

Цементация в менее популярных карбюризаторах

В ситуации, когда приходится подвергать химико-термической обработке стали 20, 15, а также легированные стали с низким содержанием углерода, допускается использовать следующие карбюризаторы.

Раствор электролита

Суть подобного метода сводится к использованию анодного эффекта, за счет которого можно обогатить при помощи многокомпонентных электролитов углерода изделия, характеризующиеся небольшими размерами. Обработка этих деталей требует создания температурного режима в диапазоне 450-1050 градусов и напряжения 150-300 В. Обязательной операцией является введение в электролит сахарозы, ацетона, глицерина, а также отдельных веществ, имеющих в своем составе углерод.

Кипящий слой

По своей структуре он имеет вид восходящего потока метана и эндогаза, который «пронзает» мелкие частицы корунда, распределяемые на печной газораспределительной решетке.

Пасты

Применение подобного карбюризатора для обработки изделий подразумевает создание на поверхности стальной детали, нуждающейся в обогащении углеродом, слоя пасты, ее последующее просушивание и нагрев током высокой или промышленной частоты. Стоит заметить, что одной цементацией обработку детали не следует заканчивать. Рекомендуемой здесь операцией является термообработка стали в виде отпуска. Также положительный эффект достигается и посредством шлифования металла.

Заключение

Довольно часто определенным конструкциям требуется придать повышенные характеристики прочности, чтобы они смогли успешно выполнять задачу, которая перед ними ставится. Решается же это путем использования различных методов обработки, среди которых достаточно эффективным является цементация металла. При этом для получения необходимого результата нужно учитывать важные особенности этого процесса.

Помимо грамотного подбора рабочей среды, для цементации металла важно в точности следовать технологии проведения подобной обработки. Ведь малейшая ошибка способна негативно повлиять на химический состав изделия, что в дальнейшем может уменьшить срок службы конструкции, в составе которой оно будет применяться. По этой причине важно уделять внимание каждому моменту, не допуская отклонений от действующих норм и правил относительно проведения химико-термической обработки металлических деталей.