Цементуемые изделия после закалки подвергают

располагается при высоких темпе-

ратурах, необходима двойная термическая обработка (рис. 95, а): первая закалка (или нормализация) от 850—900° С; вторая закалка от 780—800° С; отпуск при 150—200° С.

В результате первой закалки или нормализации (от температуры 850—900° С) улучшается структура низкоуглеродистой сердцевины (перекристаллизация) и устраняется цементитная сетка поверхностного слоя (если она образовалась при цементации). Но для науглероженного поверхностного слоя температура 850— 900° С является слишком высокой и поэтому не устраняет перегрева. Вторая закалка от 780—800° С является нормальной закалкой для науглероженного слоя — устраняется перегрев и достигается высокая твердость слоя. Отпуск при 150—200° С проводится для снятия части внутренних напряжений.

После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя — мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными карбидами и небольшое количество остаточного аустени-та, а в сердцевине — мелкозернистый феррит и перлит (для углеродистой стали) или низкоуглеродистый мартенсит и феррит (для легированной стали). Двойная термическая обработка — сложный технологический процесс, и поэтому она применяется только при особых требованиях к цементованным деталям.

Наиболее распространенной термической обработкой цементованных деталей является одинарная, закалка от температуры 780— 850° С с последующим отпуском при 150—200° С (рис, 95, б). При такой закалке происходит полная перекристаллизация в поверхностном слое и частичная в сердцевине.

При газовой цементации деталей из наследственно-мелкозернистой стали с зерном № 6—8 (например, сталь 18ХГТ) широкое распространение получила непосредственная закалка из цементационной печи; этот способ является наиболее простым и экономичным. Непосредственная закалка от температуры цементации приводит к большому короблению (с повышением температуры закалки коробление увеличивается) и сохранению большого количества остаточного аустенита (в легированных цементуемых сталях) — структурной составляющей с низкой твердостью (получается недостаточная твердость).

. В зависимости от марки цементуемой стали температура подстуживания колеблется в пределах 780—840° С. После непосредственной закалки с подстуживаннем проводится низкий отпуск (рис. 95, в). После такого режима обработки в цементованном слое легированной стали образуется структура мартенсита с карбидами и остаточного аустенита, а микроструктура сердцевины — низкоуглеродистый мартенсит, бейнит, троостит или сорбит (в зависимости от размера детали) с твердостью (в зависимости от марки стали) HRC 30—45.

Непосредственная закалка из газовой цементационной печи с предварительным подстуживаннем имеет ряд преимуществ перед обычным процессом: нет окисления и обезуглероживания поверхностных слоев, меньше коробление, снижается стоимость термической обработки, облегчается совмещение всех операций в одном агрегате и механизация (автоматизация) всех процессов (цементации, закалки, отпуска).

Для уменьшения в цементованном слое количества остаточного аустенита рекомендуется обработка холодом после непосредственной закалки из газовой цементационной печи с подстуживаннем (рис. 95, г) или после закалки при обычном режиме (рис. 95, д). Для уменьшения количества остаточного аустенита в цементованном слое среднелегироваиной стали (например, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА и др.) рекомендуется, перед закалкой проводить высокий отпуск при 600—640° С (рис. 95, е) для распада остаточного аустенита цементованного слоя.

С целью уменьшения при закалке коробления цементованных деталей применяют также следующие способы: закалку в горячем масле при температуре 160—180° С (для деталей из легированных сталей); закалку в штампах (для сложных деталей, например, зубчатых колес).

Если цементованный слой работает в условиях больших давлений (тяжелонагруженные зубчатые колеса и др.), то большое значение имеет твердость и прочность сердцевины. При мягкой сердцевине (углеродистая сталь) происходит продавливание цементованного слоя, появляются трещины: этого не происходит при твердой сердцевине (легированная сталь).

Окончательные свойства формируются только после термической обработки (закалки или низкого отпуска).

Читайте также:  Что такое пусковой конденсатор

Это одна из возможных схем.

1-я закалка – производится для сердцевины изделия. Цель – получение мелкого зерна.

2-я закалка – производится для диффузионного слоя. Цель – получение измельчение зерна и растворение цементитной сетки по границам зерен.

В результате второй закалки в поверхностном слое формируется структура выскооуглеродистого мартенсита.

Затем производится низкий отпуск. Цель – снятие внутренних напряжений. Получается мартенсит отпуска.

Азотирование.

Азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя азотом. .

Цель – получение высокой твердости и износостойкости поверхностного слоя, а также его сопротивления коррозии в воде, в атмосфере, в паре и так далее. Твердость азотированного слоя превышает твердость цементованного слоя и остается высокой вплоть до температур , в то время как у цементованного слоя до.

Технология процесса азотирования:

1. Предварительная термообработка (закалка + высокий отпуск). Цель – повышение прочности и вязкости сердцевины изделия.

После термообработки в сердцевине изделия образуется структура сорбит.

2. Механическая обработка детали (резанием), а также шлифование.

3. Защита участков, не подлежащих азотированию (нанесение жидкого стекла).

5. Окончательное шлифование.

Существует газовое и жидкостное азотирование.

Газовое азотирование проводится в герметичных камерах (ретортах), куда с определенной скоростью поступает аммиак, диссоциирующий по следующей реакции:

атомарный азот, диффундирующий в кристаллическую решетку металла, образуя следующие фазы:

фаза (твердый раствор азота в железе) – азотистый феррит.

фаза (твердый раствор азота в железе) – азотистый аустенит. Образуется, если(соответствует эвтектоидному превращению).

твердая фаза – азотистый мартенсит. Образуется при высокой скорости охлаждения, с .

твердый раствор на основе химического соединения .

фаза – на основе химического соединения .

Такая картина наблюдается при .

Азотированию подвергают только легированные стали, например . В этих сталях в поверхностном (диффузионном) слое будут образовываться нитриды:,,. Получаем очень высокую твердость и износостойкость.

Скорость роста диффузионного слоя будет очень медленная (азотированный слой растет в 10 раз медленнее, чем цементованный). Например, чтобы получить толщину азотированного слоя , нужно выдерживать сталь прив течение(очень длительный процесс).

Жидкостное азотирование проводится в жидких средах при в течениев расплавленных цианистых солях.

Толщина получаемого азотированного слоя: .

У жидкостного азотирования есть определенное достоинство: размеры детали изменяются незначительно. Недостаток: высокая токсичность.

Жидкостному азотированию подвергают коленчатые валы, шестерни, пресс-формы, штампы и т.д.

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.

Читайте также:  Зубило что это такое

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:

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.

Читайте также:  Плавление бронзы в домашних условиях

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector