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 в пораженной зоне может различаться содержание 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.
Науглероживание стали включает термическую обработку металлической поверхности с использованием источника углерода. [3] Науглероживание можно использовать для увеличения поверхностной твердости низкоуглеродистой стали. [3]
Ранняя цементация использовала прямое нанесение древесного угля на обрабатываемый образец (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 требуется 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 вступают в реакцию 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 детали часто удерживаются в сетчатых корзинах или подвешиваются на проволоке. При пакетной цементации заготовка и углерод заключаются в контейнер, чтобы обеспечить контакт на как можно большей площади поверхности. Пакетные контейнеры для цементации обычно изготавливаются из углеродистой стали с покрытием из алюминия или жаростойкого никель-хромового сплава и герметизируются во всех отверстиях шамотом.
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.
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. [4]
Практически невозможно подвергнуть заготовку цементации без каких-либо изменений ее 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. [4]
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. [4]
Как правило, насадочное оборудование для цементации может вмещать более крупные заготовки, чем оборудование для цементации в жидкости или газе, но методы цементации в жидкости или газе более быстрые и пригодны для механизированной обработки материалов. Кроме того, преимуществами цементации перед нитроцементацией 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. [4]
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. [4]