Цементація - це процес насичення поверхневого шару стали вуглецем. Розрізняють такі види цементації: тверду, газову цементації, цементацию пастами, рідинну цементацию. Метою цементації є отримання твердої зносостійкої поверхні, що досягається збагаченням поверхневого шару вуглецем до концентрації 0,8-1,2% і подальшим гартом з низьким відпусткою. Цементація і подальша термічна обробка одночасно підвищують зносостійкість і межа витривалості.
При цементації в твердому карбюризаторі вироби укладають в ящики і засипають карбюризатором, частіше деревним вугіллям. При нагріванні вуглець деревного вугілля, з'єднуючись з киснем повітря, утворює оксид вуглецю, який, в свою чергу, взаємодіючи з залізом, дає атомарний вуглець. Цей активний вуглець поглинається аустенітом і дифундує в глиб вироби. Для прискорення процесу цементації до деревного вугілля (коксу) додають каталізатори процесу: вуглекислий барій (ВаСО3) і кальциновану соду (Na2 CO3) в кількості 10-40% від маси вугілля.
газова цементація
Для газової цементації (вперше була здійснена Аносова П.Д. на Златоустівській заводі) в якості карбюризатора використовують природний газ, рідкі вуглеводні (гас, бензин і т. Д.) Або контрольовані атмосфери з певним вуглецевим потенціалом. При нагріванні утворюється атомарний вуглець:
режими цементації
Газова цементація - основний процес при масовому виробництві, а цементацию в твердому карбюризаторі використовують в дрібносерійне виробництво. Глибина цементації в залежності від призначення виробу і складу стали зазвичай знаходиться в межах 0,5-2,00 мм. Цементацію проводять при 910-950 ° С або для прискорення процесу при 1000-1050 ° С. З підвищенням температури зменшується час досягнення заданої глибини цементації. Так, при газовій цементації науглероженного шар товщиною 1,0-1,3 мм отримують при 920 ºС за 15 год. А при 1000 ºС - за 8 год. Щоб запобігти сильне зростання аустенітного зерна, високотемпературної цементації піддають спадково дрібнозернисті сталі (НМЗС). Також перегрів після цементації можна виправити наступною повною перекристалізацією сплаву при загартуванню з повторного нагріву. Концентрація вуглецю в поверхневому шарі вироби зазвичай становить 0,8-1,5%.
Цементація є проміжною операцією, мета якої - збагачення поверхневого шару вуглецем. Необхідну зміцнення поверхневого шару виробу досягається загартуванням після цементації. Загартування повинна не тільки зміцнити поверхневий шар, але і виправити структуру перегріву, що виникає через багатогодинний витримки стали при високій температурі цементації. Після цементації відповідальні вироби піддають подвійний гарту (загартуванню з повторного нагріву) Це робиться для зниження викривлення металу, а також, щоб нагрівання під повторну загартування виправив все несплошності мікроструктури металу, отримані при цементації - наприклад велике зерно від перегріву.
Переваги газової цементації перед цементацією в твердому карбюризаторі
Процес газової цементації має низку переваг у порівнянні з цементацією в твердому карбюризаторі:
- підвищується продуктивність процесу в порівнянні з цементацією в твердому карбюризаторі, так як не потрібно витрачати час на упаковку і прогрів ящиків;
- скорочується потрібна виробнича площа і кількість робочої сили;
- скорочується потреба в жаростійкого матеріалі;
- з'являється можливість регулювання процесу для отримання цементованного шару заданої глибини і насиченості;
- зменшується деформація деталей внаслідок більш рівномірного нагріву до робочої температури;
- поліпшуються санітарно-гігієнічні умови праці;
- з'являється можливість гарту деталей безпосередньо після цементації;
- дозволяє повністю механізувати і автоматизувати процес.
Недоліки процесу газової цементації:
- необхідність в більш складному і дорогому обладнанні;
- потреба в більш кваліфікованій робочій силі;
- складність експлуатації обладнання внаслідок необхідності забезпечення герметичності печі, рівномірної циркуляції газів і ін .;
- складні вимоги по техніці безпеки.
рідинна цементація
Рідинна цементація виробляється в розплавлених солях, зазвичай в солях, що складаються з карбонатів лужних металів. Цю суміш розплавляють в ванні і цементації проводять за допомогою занурення деталей в розплав. Процес ведуть при 850 ° С протягом 0,5 - 3,0 годин, при цьому глибина сдоя виходить в межах 0,2 - 0,5 мм. Основна перевага процесу - можливість безпосередньої гарту з цементаціонной ванни і малі деформації оброблених виробів. В умовах індивідуального і дрібносерійного виробництва деякий застосування знайшла цементація з паст. У цьому випадку на оброблювану поверхню наноситься обмазка, яка містить сажу (33 - 70%), деревний пил (20 - 60%), жовту кров'яну сіль (5 - 20%) та інші компоненти. В якості сполучних матеріалів використовують органічні, органомінеральні і неорганічні клеї. Товщина обмазки повинна бути в 6 - 8 разів більше необхідної товщини цементованного шару.
В даний час найбільш перспективним методом цементації є цементація в ендотермічної атмосфері з контрольованим вуглецевим потенціалом. При газовій цементації в ендотермічної атмосфері, на початку процесу (в активний період насичення) підтримують високий вуглецевий потенціал атмосфери за рахунок добавки до ендотермічної атмосфері необробленого вуглеводневого газу (метану або пропану-бутану). В дифузійний період вуглецевий потенціал атмосфери встановлюється 0,8 - 1,0% і кількість доданого вуглеводневого газу різко зменшується.
Вакуумна цементація
Всі вище перераховані способи цементації мають один великий недолік - тривалий час процесу. Значне прискорення процесу може бути досягнуто в результаті використання високотемпературної цементації при тиску нижче атмосферного, при вакуумній цементації. (За посиланням додаткова інформація по вакуумній цементації). Процес вакуумної цементації має ряд переваг перед традиційними методами цементації.
- можливість ефективного регулювання профілю розподілу вуглецю в цементованном шарі і його мікроструктури;
- відсутність кисневмісних компонентів в атмосфері, що виключає внутрішнє окислення деталей;
- краще проникнення газу-карбюризатора в отвори малого діаметра, що забезпечує рівномірну цементацию внутрішніх порожнин;
- висока повторюваність результатів процесів, що проходять в однакових умовах;
- отримання світлої поверхні деталей після цементації;
- відсутність газоприготувальні установок і приладів контролю вугіллі рідного потенціалу;
- зменшення питомої витрати електроенергії і технологічного газу;
- більша мобільність обладнання (пуск і зупинка займають кілька хвилин);
- скорочення тривалості процесу в результаті проведення його при високій температурі і зміни потенціалу атмосфери;
- підвищення культури виробництва та поліпшення умов праці.
Перша інформація про процес вакуумної цементації відноситься до початку 70-х років, коли фахівці фірми "Хейес" (США) вперше здійснили вакуумну цементацию в модернізованих печах типу VCQ.
При вакуумній цементації, завантаження деталей виробляють в холодну камеру, далі пуск печі, і подальше управління всіма технологічними параметрами (температура, витрата газу, тиск, тривалості періодів цементації і дифузії) проводиться за допомогою програми, введеної в керуючий комп'ютер. Спочатку піч вакуумируют, потім слід ступінчастий нагрів до температури цементації. Потім садка з деталями витримується при постійній температурі для вирівнювання температури всередині садки та видалення забруднень з поверхні стали, що перешкоджають проникненню вуглецю. Тривалість витримки при температурі становить від 20 до 60 хв. (В залежності від поперечного перерізу деталей). Далі відбувається подача в камеру реакційного газу, в якості якого застосовують такі вуглеводні як метан, пропан, бутан або ацетилен. Тиск і витрата газу залежать від типу газу, обсягу камери і площі поверхні деталей. Тиск газу може знаходитися в інтервалі 4 - 400 мбар, а витрата в інтервалі 500 -5000 нл / ч. При цьому намагаються якомога більше збагатити поверхневу зону вуглецем, щоб концентрація вуглецю в цій зоні досягла більш високих значень, ніж задаються значення для остаточно обробленої деталі. За стадією науглероживания слід диффузионная стадія процесу. Для того, щоб уникнути подальшого науглероживания під час дифузійної стадії, після закінчення стадії науглероживания піч знову вакуумируют. Далі закачують в піч трохи азоту (до встановлення тиску в печі 2 мбар) з метою зменшення ефекту сублімації (вивітрювання, випаровування) в вакуумі вуглецю і легуючих елементів з поверхні деталей при проходженні стадії дифузії. Стадії науглероживания і дифузії чергують до тих пір, поки не будуть отримані необхідні глибина цементованного шару і концентраційний профіль вуглецю. Оптимальний технологічний процес вакуумної цементації складається з трьох стадій науглероживания і трьох стадій дифузії. На наступному етапі, здійснюється охолодження печі і садки з деталями до цехової температури і в залежності від конструкції печі це може відбуватися як в самій камері з використанням інертного газу (азот, аргон або гелій) при різних тисках, так і в маслі гартувального бака. Після досягнення піччю цехової температури комп'ютерне управління відключається і за допомогою навантажувача садку вивантажують.
Деякі особливості технології - замість ув'язнення
Іноді при цементації необхідно захистити деякі поверхні. Для цього застосовують 3 основних способи: захист допусками, меднение поверхні, захист пастами.