Цементация

Науглероживание или цементация — это процесс термической обработки , при котором железо или сталь поглощают углерод , в то время как металл нагревается в присутствии углеродсодержащего материала, такого как древесный уголь или окись углерода . Цель состоит в том, чтобы сделать металл более твердым и износостойким. ^{[ 1 ]} В зависимости от времени и температуры пораженный участок может различаться по содержанию углерода. Более длительное время цементации и более высокие температуры обычно увеличивают глубину диффузии углерода. Когда железо или сталь быстро охлаждаются путем закалки , более высокое содержание углерода на внешней поверхности становится твердым из-за превращения аустенита в мартенсит , в то время как сердцевина остается мягкой и прочной, как ферритная и/или перлитная микроструктура . ^{[ 2 ]}

Этот производственный процесс можно охарактеризовать следующими ключевыми моментами: он применяется к заготовкам с низким содержанием углерода; детали контактируют с высокоуглеродистым газом, жидкостью или твердым телом; создает твердую поверхность заготовки; сердечники заготовок в значительной степени сохраняют свою вязкость и пластичность ; и обеспечивает глубину твердости корпуса до 0,25 дюйма (6,4 мм). В некоторых случаях он служит средством устранения нежелательного обезуглероживания , произошедшего ранее в производственном процессе.

Метод

Науглероживание стали включает термическую обработку металлической поверхности с использованием источника углерода. ^{[ 3 ]} Науглероживание можно использовать для повышения поверхностной твердости низкоуглеродистой стали. ^{[ 3 ]}

Ранняя цементация использовала прямое нанесение древесного угля вокруг обрабатываемого образца (первоначально это называлось цементацией ), но в современных методах используются углеродсодержащие газы или плазма (например, диоксид углерода или метан ). Процесс зависит в первую очередь от состава окружающего газа и температуры печи, которую необходимо тщательно контролировать, поскольку тепло может также повлиять на микроструктуру остального материала. В тех случаях, когда желателен строгий контроль над составом газа, науглероживание может происходить при очень низком давлении в вакуумной камере.

Плазменная цементация все чаще используется для улучшения характеристик поверхности (таких как износ, коррозионная стойкость, твердость , несущая способность, а также переменных, зависящих от качества) различных металлов, особенно нержавеющих сталей . Процесс экологически безопасен (по сравнению с газовой или твердой цементацией). Он также обеспечивает равномерную обработку деталей сложной геометрии (плазма может проникать в отверстия и узкие зазоры), что делает его очень гибким с точки зрения обработки компонентов.

Процесс науглероживания происходит за счет диффузии атомов углерода в поверхностные слои металла. Поскольку металлы состоят из атомов, прочно связанных в металлическую кристаллическую решетку , атомы углерода диффундируют в кристаллическую структуру металла и либо остаются в растворе (растворяются в кристаллической матрице металла — это обычно происходит при более низких температурах), либо реагируют с элементами. в основном металле с образованием карбидов (обычно при более высоких температурах из-за более высокой подвижности атомов основного металла). Если углерод остается в твердом растворе, сталь подвергают термообработке для ее упрочнения. Оба этих механизма укрепляют поверхность металла: первый за счет образования перлита или мартенсита, а второй за счет образования карбидов. Оба эти материала тверды и устойчивы к истиранию.

Газовая цементация обычно проводится при температуре от 900 до 950°С.

При кислородно-ацетиленовой сварке науглероживающее пламя содержит мало кислорода, что приводит к образованию копоти и низкотемпературного пламени. Его часто используют для отжига металла, что делает его более податливым и гибким в процессе сварки.

Основная цель при производстве науглероженных деталей — обеспечить максимальный контакт между поверхностью заготовки и элементами, богатыми углеродом. При газовой и жидкостной цементации заготовки часто удерживаются в сетчатых корзинах или подвешиваются на проволоке. При пакетной цементации заготовка и уголь заключаются в контейнер, чтобы обеспечить контакт на как можно большей площади поверхности. Пакетные емкости для цементации обычно изготавливаются из углеродистой стали с покрытием из алюминия или жаростойкого никель-хромового сплава и герметизируются во всех отверстиях шамотом.

Науглероживание может быть достигнуто либо в обычной печи (атмосферная печь), либо в печи для цементации низкого давления (LPC). ^{[ 4 ]}

Обычная печь (атмосферная печь): традиционная цементация представляет собой процесс, контролируемый атмосферой, с контролем углеродного потенциала.
Печь для цементации низкого давления (LPC): цементация под низким давлением происходит без кислорода и с впрыскиванием науглероживающего газа (например, ацетилена ).

Отвердители

Существуют различные типы элементов или материалов, которые можно использовать для выполнения этого процесса, но в основном они состоят из материалов с высоким содержанием углерода. Некоторые типичные отверждающие агенты включают угарный газ (CO), цианид натрия и карбонат бария или древесный уголь. При газовой цементации углерод выделяется пропаном или природным газом . При жидкостной цементации углерод получается из расплавленной соли, состоящей в основном из цианида натрия (NaCN) и хлорида бария (BaCl ₂ ). При пакетной цементации окись углерода выделяется коксом или древесным углем.

Геометрические возможности

Существуют всевозможные детали, которые можно науглероживать, а это означает практически безграничные возможности формы материалов, которые можно науглероживать. Однако следует внимательно относиться к материалам, которые содержат неоднородные или несимметричные сечения. Различные сечения могут иметь разную скорость охлаждения, что может вызвать чрезмерные напряжения в материале и привести к его поломке. ^{[ 5 ]}

Изменения размеров

Практически невозможно подвергнуть заготовку цементации без каких-либо изменений размеров. Степень этих изменений варьируется в зависимости от типа используемого материала, процесса цементации, которому подвергается материал, а также исходного размера и формы заготовки. Однако изменения невелики по сравнению с операциями термообработки. ^{[ 5 ]}

Изменение свойств материала ^{[ 5 ]}
Свойства рабочего материала	Эффекты цементации
Механический	Повышенная твердость поверхности Повышенная износостойкость Повышенная усталость/прочность на растяжение
Физический	Возможен рост зерна Может произойти изменение объема
Химическая	Повышенное поверхностное содержание углерода

Материал заготовки

Обычно карбонизуют низкоуглеродистые и легированные стали с начальным содержанием углерода от 0,2 до 0,3%. Поверхность заготовки не должна содержать загрязнений, таких как масло, оксиды или щелочные растворы, которые предотвращают или затрудняют диффузию углерода на поверхность заготовки. ^{[ 5 ]}

Сравнение разных методов

В целом, насадное оборудование для цементации может вмещать более крупные заготовки, чем оборудование для цементации в жидкости или газе, но методы цементации в жидкости или газе являются более быстрыми и пригодны для механизированной обработки материалов. Кроме того, преимуществами цементации перед карбонитрированием являются большая глубина гильзы (возможна глубина гильзы более 0,3 дюйма), меньшая деформация и лучшая ударная вязкость. Это делает его идеальным для изделий с высокой прочностью и износом (например, ножниц или мечей). К недостаткам относятся дополнительные расходы, более высокие рабочие температуры и увеличение времени. ^{[ 5 ]}

Выбор оборудования

Обычно газовая цементация используется для крупных деталей. Жидкостная цементация применяется для мелких и средних деталей, а пакетная цементация может применяться для крупных деталей и индивидуальной обработки мелких деталей в больших объемах. Вакуумная цементация (цементация под низким давлением или LPC) может применяться к широкому спектру деталей при использовании в сочетании с закалкой в масле или газе под высоким давлением (HPGQ), в зависимости от легирующих элементов в основном материале. ^{[ 5 ]}

См. также

Карбонитрирование
Цементация
Процесс цементации
Тигельная сталь
Броня Харви (также известная как Харвиизированная сталь), раннее применение цементации.
Хейворд А. Харви , пионер в разработке цементации.
Крупповская броня
Азотирование

Ссылки

^ «Цементация стали» . Бесплатный словарь Фарлекса. Архивировано из оригинала 31 августа 2011 г. Проверено 25 мая 2012 г.
^ Оберг Э., Джонс Ф. и Риффель Х. (1989) Справочник по машинному оборудованию, 23-е издание. Нью-Йорк: Industrial Press Inc.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Низкоуглеродистые стали» . эфунда . Проверено 25 мая 2012 г.
^ «Цепарация при низком давлении в сравнении с технологией атмосферной печи» . ECM США Производитель систем вакуумных печей . Проверено 19 августа 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Роберт Х. Тодд, Делл К. Аллен и Лео Альтинг Справочное руководство по производственным процессам . Industrial Press Inc., 1994. стр. 421–426.

Дальнейшее чтение

Джеффри Пэрриш, Науглероживание: микроструктуры и свойства. АСМ Интернешнл. 1999. стр. 11.
ECM USA, Традиционная атмосферная цементация в сравнении с печами для цементации при низком давлении. https://www.ecm-usa.com/resources/lpc-comparison

Внешние ссылки

«MIL-S-6090A, Военная спецификация: Процесс обработки сталей, используемых при цементации и азотировании самолетов» . Министерство обороны США . 7 июня 1971 года. Архивировано из оригинала (PDF) 29 августа 2019 года . Проверено 19 июня 2012 г.

[1] «Цементация стали» . Бесплатный словарь Фарлекса. Архивировано из оригинала 31 августа 2011 г. Проверено 25 мая 2012 г.

[2] Оберг Э., Джонс Ф. и Риффель Х. (1989) Справочник по машинному оборудованию, 23-е издание. Нью-Йорк: Industrial Press Inc.

[Low-carbon_steels-3] Перейти обратно: ^а ^б «Низкоуглеродистые стали» . эфунда . Проверено 25 мая 2012 г.

[4] «Цепарация при низком давлении в сравнении с технологией атмосферной печи» . ECM США Производитель систем вакуумных печей . Проверено 19 августа 2024 г.

[todd-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Роберт Х. Тодд, Делл К. Аллен и Лео Альтинг Справочное руководство по производственным процессам . Industrial Press Inc., 1994. стр. 421–426.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]