Цементация поверхности металла

Цементация – это металлургический процесс, который позволяет создавать детали с уникальными свойствами. В этой статье мы исследуем, что такое цементация, её процесс и применение.

Повышение прочности поверхности детали

Цементная закалка — это процесс термической обработки, при котором поверхность металлической подложки упрочняется, при этом сердцевина остается более мягкой. Это позволяет объединить в одной детали лучшие свойства мягкого и твердого металла.
Мягкий материал выдерживает ударные нагрузки намного лучше, чем твердый. Он также более жесткий, пластичный и прочный, но не обладает достаточной износостойкостью. Хорошая износостойкость имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы материал не изнашивался из-за истирания или трения. Упрочняя только внешнюю поверхность, можно значительно снизить износ металла без ущерба для других свойств.
Мы можем добиться тонкого слоя закаленной поверхности с помощью различных средств, таких как изменение кристаллической структуры и/или добавление новых элементов на поверхность. Но независимо от процесса, цементация почти всегда требует повышенных температур.

Мы используем поверхностное упрочнение, когда нужно улучшить поверхностную твердость более мягких материалов, таких как детали из железа или низкоуглеродистой стали. Стандартной практикой является выполнение этого процесса после всех операций механической обработки и формовки, так как это снижает обрабатываемость детали. Но также можно сделать это на более ранних стадиях производственного процесса. Вот некоторые из случаев, когда используется процедура упрочнения корпуса.

Низкий бюджет

Существует значительная разница в цене между низкоуглеродистой сталью и инструментальными сталями, такими как быстрорежущая сталь. В некоторых случаях разница может быть более чем в 20 раз. Таким образом, когда бюджет является проблемой, мы можем использовать цементируемую низкоуглеродистую сталь вместо инструментальной.
Кроме того, поверхностная закалка требует меньше энергии и времени по сравнению со сквозной закалкой, поскольку вы не закаляете весь объём. Таким образом, наряду со стоимостью сырья, можно сэкономить ресурсы в производстве.

Сочетание мягкого внутреннего ядра с жестким внешним слоем обеспечивает уникальные свойства, как говорилось в предыдущем разделе. Упрочнение корпуса позволяет воспользоваться этими свойствами. Цементируемые муфты являются примером деталей, которые обеспечивают не только прочность, но и долговечность. Они могут справиться с небольшими перекосами намного лучше, чем детали со сквозной закалкой.

Назначение детали

Для изделий иногда требуется только твердая поверхность. В таких случаях вместо сквозной закалки можно использовать только поверхностную закалку, например, для напильников, болтов и шестерен.
В напильнике зубы делают всю работу. Так что имеет смысл использовать низкоуглеродистую сталь и просто упрочнить поверхность. Это дешевле, чем использование инструментальной стали или даже сквозной закалки.
Давайте рассмотрим выгоды цементирования также на примере шестерни. Шестерня должна иметь высокую твердость зуба, чтобы придать ему износостойкость. Но он не нуждается в сквозной закалке. На самом деле рекомендуется сохранить ядро изделия мягким, чтобы избежать внезапного выхода шестерни из строя под высокой нагрузкой. Цементируемое зубчатое колесо позволяет сочетать гибкость и высокую твердость поверхности в одной и той же детали.

Процесс и методы цементации

Принцип упрочнения поверхности довольно прост. Мы хотим, чтобы поверхность образовывала твердую структуру, известную как мартенсит. Но такая структура образуется только при закалке стальных деталей при высоких температурах и при достаточно высоком содержании углерода в стальном сплаве.

Если содержание углерода достаточно, нужно только нагреть и закалить деталь. Но если содержание углерода низкое или если необходима высокая твердость, на поверхность материала нужно добавить такие элементы, как углерод и азот. Давайте теперь посмотрим на различные процессы, используемые для повышения прочности корпуса, основанные на вышеупомянутых принципах.

Нагрев и закалка

Традиционно для закалки ряда металлов использовалось закаливание. Когда мы хотим цементировать металл, можно использовать прямое кислородно-газовое пламя на стальной детали. В некоторых случаях используется индукционный нагрев. В любом случае температура поверхности стальной детали быстро повышается. Это приводит к изменению кристаллической структуры от перлитной до аустенитной.
После достижения заданной температуры деталь быстро охлаждают, часто погружая ее в воду. Это снова изменяет кристаллическую структуру, на этот раз от аустенита до мартенсита, который представляет собой особенно твердую структуру.
Поскольку изменению кристаллической структуры подвергается только поверхность, деталь затвердевает только на поверхности. Но для того, чтобы деталь соответствовала технологии, в исходном металле должно быть достаточно углерода. В случае низкого содержания углерода (<0,3%) этот метод не даст положительных результатов.

Науглероживание

Если уровень углерода ниже 0,3%, то нужно добавить больше углерода к детали, прежде чем подвергать ее нагреву + закалке. При науглероживании стальная деталь нагревается в присутствии внешнего источника углерода в течение заданного времени. При высоких температурах углерод из углеродистого материала диффундирует в металл. Более высокие температуры и более длительное время нагрева приводят к глубокому поглощению углерода поверхностью металла.
Существует три основных метода: науглероживание в пакете, жидкостное и газовое. По сравнению с науглероживанием в пакете жидкостное и газовое науглероживание лучше рассеивают углерод в материале. Науглероживание обычно проводят при 930 ° C Как только науглероживание увеличивает содержание углерода в поверхностном слое стали, мы подвергаем его закалке пламенем или индукционной закалке для повышения твердости.

Азотирование

Для стального сплава, содержащего такие элементы, как алюминий, хром и молибден, можно использовать азотирование для цементации.
Деталь нагревают в присутствии газообразного азота и диссоциированного аммиака с образованием нитридов. Нитриды также увеличивают твердость материала.

Существует три основных типа процессов азотирования. Это азотирование в солевых ваннах, газовое азотирование и плазменное азотирование.
Азотирование обычно работает при более низких температурах, поскольку деталь нагревается до 620 ° C. Чем дольше она выдерживается при этой температуре, тем глубже происходит диффузия и последующее твердение.

Цианирование

Цианирование — это тип процесса поверхностного упрочнения, при котором углерод и азот рассеиваются в присутствии соли на основе цианида. Деталь сначала нагревается до 950 ° C в течение заданного времени. После поглощения достаточного количества углерода и азота деталь охлаждают с последующей промывкой для удаления остатков цианида. Последний шаг особенно важен, так как цианид является ядовитым соединением и требует осторожного обращения.

Карбонитрация

Карбонитрирование относится к добавлению углерода и азота к тонкому слою поверхности стали. Это похоже на науглероживание газом, но в среде аммиака.
Присутствие аммиака обеспечивает выделение азота для процесса. Температура карбонитрации составляет около 840 ° C, что находится между температурами азотирования и науглероживания. Затем материал закаливают в масле или газе.
Более низкая температура приводит к меньшей деформации во время закалки. Полученный материал может иметь твердость до 60 HRC. Эта твердость выше, чем может быть достигнута в процессе науглероживания.
Карбонитрированные детали также имеют превосходные характеристики при повышенных температурах. В то время как детали из науглероженной стали начинают терять свою твердость при температуре выше 200 °C, детали из карбонитрированной стали сохраняют свою твердость намного дольше из-за стабильного нитридного соединения, диффундирующего в матрицу. Большинство производителей упрочняют коленчатые валы двигателей с помощью процесса нитроцементации.

Ферритная нитроцементация

Ферритная нитроцементация добавляет в сталь углерод и азот, пока она еще находится в ферритной фазе. В указанных выше процессах при нагреве материала больше критической температуры микроструктура изменяется с ферритной на аустенитную.
При ферритной нитроцементации мы не приближаемся к этой температуре. Мы подвергаем материал воздействию атмосферы, богатой углеродом и азотом, пока он еще находится в ферритной фазе.
Существует три основных типа процессов: ферритная нитроцементация в солевых ваннах, газообразная и ионная.

Заключение

В настоящее время цементируемая сталь является широко используемым процессом обработки поверхности в промышленности. Это особенно полезно в узлах, где присутствуют вибрации, ударные нагрузки и несоосность. Цементация обеспечива
ет хорошую твердость в этих применениях без увеличения хрупкости.