Jak probíhá proces cementace?

Cementace je proces nasycení povrchové vrstvy ocelových výrobků uhlíkem. Cementování se provádí za účelem získání vysoké tvrdosti na povrchu výrobku při zachování viskózního jádra, pomáhá zvýšit odolnost proti opotřebení a mez životnosti.

Cementování se aplikuje na díly z nízkouhlíkových ocelí (obsah uhlíku do 0,25 %), pracující v podmínkách kontaktního opotřebení a střídavého zatížení (pouzdra, pístní čepy, vačky, sloupky atd.).

Pro nauhličování přicházejí díly po opracování s přídavkem broušení 0,05–0,10 mm. Oblasti, které nepodléhají cementaci, jsou chráněny tenkou vrstvou mědi (0,02-0,04 mm), nanášené elektrolyticky, nebo speciálními nátěry sestávajícími ze směsi žáruvzdorné hlíny, písku a azbestu smíchaného s tekutým sklem atd.

Cementování se provádí při teplotách 900-950°C. Čím méně uhlíku v oceli, tím vyšší je teplota ohřevu pro nauhličování. Při těchto teplotách se atomární uhlík adsorbuje na povrchu oceli a difunduje hluboko do kovu. V důsledku cementace je obsah uhlíku v povrchové vrstvě 0,8–1,0 %. Vyšší koncentrace uhlíku podporuje křehnutí cementované vrstvy.

Cementovaná vrstva má v celé své tloušťce proměnlivou koncentraci uhlíku, která klesá od povrchu k jádru. V tomto ohledu lze po pomalém ochlazení ve struktuře cementované vrstvy rozlišit tři zóny: hypereutektoidní, skládající se z perlitu a sekundárního cementitu; eutektoid, sestávající z perlitu; hypoeutektoid, sestávající z perlitu a feritu.

Tloušťka cementované vrstvy se obvykle považuje za součet hypereutektoidních, eutektoidních a poloviny hypoeutektoidních zón. Typicky je tloušťka vrstvy pro většinu vloček 0,8-1,4 mm.

Existují dva typy cementace: pevná a plynná. Médium, ve kterém se nauhličování provádí, se nazývá nauhličovač.

Cementování v pevných médiích

Nauhličovacím činidlem je aktivní dřevěné uhlí (dub nebo bříza), dále uhelný polokoks a rašelinový koks. Pro urychlení procesu se do dřevěného uhlí přidávají aktivátory – uhličitan barnatý, soda, potaš.

Výrobky připravené k cementaci jsou umístěny v kovové krabici. Nejprve se do krabice nalije 20-30 cm vrstva karburátoru Díly se pokládají ve vrstvách ve vzdálenosti 10-15 mm od sebe. Každá vrstva dílů se pokryje nauhličovačem a na něj se položí další vrstva dílů atd. Poslední vrstva se zakryje nauhličovačem a krabice se přikryje víkem, jehož okraje jsou potaženy ohnivzdornou hlínou nebo směsí jílu a písku. Někdy místo víka dají plát azbestu a potahují ho hlínou. Poté se krabice vloží do pece o teplotě 900-950°C.

Ve schránce mezi kusy uhlí je vzduch, jehož kyslík reaguje s uhlíkem nauhličovače za vzniku oxidu uhelnatého CO. Při kontaktu s povrchem dílů se oxid uhelnatý disociuje.

Uvolněný atomární uhlík difunduje hluboko do kovu. Přídavek solí oxidu uhličitého aktivuje proces cementování.

Doba expozice v peci při teplotě nauhličování závisí na požadované tloušťce cementované vrstvy. V praxi se rychlost závěrky bere na základě růstu vrstvy rychlostí 0,1 mm za hodinu. Například vrstva o tloušťce 1 mm se získá za 9,5-10,4 hodin.

Pro kontrolu postupu procesu a tloušťky cementované vrstvy jsou do krabice spolu s díly umístěny „svědci“ – vzorky o průměru 10-15 mm, vyrobené ze stejné jakosti oceli jako díl. Během cementování jsou „svědci“ periodicky odstraňováni, lámáni a tloušťka cementované vrstvy je určena lomem.

Zvýšení teploty nauhličování na 950–1000 °C může výrazně urychlit proces, ale tento režim je použitelný pro dědičně jemnozrnné oceli.

Po cementaci se boxy ochladí na vzduchu a následně rozeberou. Oblasti výrobku, které nepodléhají cementaci, jsou chráněny galvanickým pokovováním mědí. Po nauhličení jsou díly podrobeny normalizaci pro zjemnění zrna, opětovné kalení a nízkoteplotní temperování.

Struktura jádra závisí na složení oceli a režimu kalení. U uhlíkových ocelí se skládá z feritu a sorbitolu nebo troostitu a u legovaných ocelí z nízkouhlíkového martenzitu.

Cementace plynem

V současné době je nauhličování plynem hlavním procesem nauhličování v závodech hromadné výroby. Při nauhličování plynem se zkracuje doba trvání procesu, protože není potřeba boxy zahřívat, lze zajistit kompletnější mechanizaci a automatizaci procesu, zjednodušit následné tepelné zpracování a hlavně je možné získat danou koncentraci uhlíku ve vrstvě.

Cementování se provádí v průběžných šachtových, muflových nebo bezmuflových pecích. Při nauhličování v šachtových pecích se k získání nauhličovací atmosféry používá metan, petrolej, syntin, benzen aj. V kontinuálních pecích se častěji používá metan. Pro získání dané koncentrace uhlíku (obvykle 0,8 %) se používají atmosféry s řízeným uhlíkovým potenciálem.

Uhlíkový potenciál atmosféry je chápán jako určitá koncentrace uhlíku na povrchu cementované vrstvy. Pro urychlení procesu se uhlíkový potenciál atmosféry v peci mění podle zóny. Zpočátku je udržována vysoká, čímž je zajištěna koncentrace uhlíku 1,3–1,4 % v povrchové vrstvě, a poté je redukována pro získání optimálního obsahu uhlíku v této vrstvě (0,8 %).

K tomuto účelu slouží první zóna, která zabírá přibližně 2/₃ délce pece je přiváděn plyn sestávající ze směsi přírodních (10-15%) a endotermických (90-85%) plynů. Do druhé zóny je přiváděn pouze endotermický plyn, který je v rovnováze s danou koncentrací uhlíku (0,8 %) na povrchu. Zároveň v důsledku difúze uhlíku hluboko do kovu a interakce povrchu součásti s endotermickou atmosférou klesá koncentrace uhlíku na povrchu a jeho distribuce se stává rovnoměrnější v celé tloušťce cementované vrstvy. .

Po plynové nauhličování se používá kalení (u dědičně jemnozrnných ocelí) přímo z nauhličovací pece, po předchlazení na teplotu 850-830°C. Finální operací je nízkoteplotní temperování při teplotě 160-180°C.

Cementování oceli: účel a vlastnosti procesu. Způsoby povrchové úpravy kovů. Schopnost vykonávat práci doma. Vlastnosti povrchu po ošetření.

Nauhličování oceli je vysokoteplotní proces doprovázený sycením povrchu atomárním uhlíkem. V důsledku toho se zvyšují kvalitativní vlastnosti horní vrstvy výrobku, zejména pevnost, což zvyšuje odolnost vůči různému zatížení. Metoda se začala používat v polovině devatenáctého století: ocel se vyráběla průběžným nauhličením železa.

Podle technologie zpracování je nauhličování podobné nitridaci, s jedním rozdílem – druhá technologie nasytí vrchní vrstvu dusíkem, čímž ošetřeným výrobkům dodává antikorozní vlastnosti. Nitridace se používá při práci s ocelí obsahující prvky jako je chrom, hliník, titan a další. To je způsobeno tím, že sloučeniny těchto kovů jsou trvanlivé a vysoce odolné vůči teplotním vlivům.

Existuje několik způsobů, jak nauhličit ocel. Některé z nich jsou vhodné pro domácí použití. To vše bude probráno v tomto článku.

Podstata a účel procesu cementace

Cementování kovů je jedním z typů chemicko-tepelných povrchových úprav spolu s nitridací, kyanizací a hliníkováním. Podstatou a jejím účelem je difúzní nasycení povrchu obrobku atomy uhlíku. V důsledku toho se zvyšují následující vlastnosti:

• tvrdost
• síla;
• odolnost proti mechanickému namáhání.

Teplota nauhličování se volí na základě požadovaného stupně nauhličení obrobku. Pohybuje se v rozmezí od 800 do 950 °C. Technologie se používá pro zpracování nízkouhlíkových nebo legovaných ocelí. To je způsobeno skutečností, že vnitřek součásti musí po kalení zůstat viskózní. Hloubka nasycené vrstvy může v závislosti na intenzitě nárazu dosáhnout 2,5 mm.

Vysoká teplota je nezbytná pro aktivaci uhlíku, který hraje klíčovou roli při cementaci. V tomto případě snadno proniká do mezikrystalického prostoru oceli a tam se absorbuje.

Technologie se vyznačuje nízkou mírou interakce mezi ocelí a uhlíkem. Získání vrstvy o tloušťce 0,1 mm trvá v průměru jednu hodinu. Je pozoruhodné, že proces má přímý vztah: hloubka cementování neovlivňuje dobu zpracování.

Metody nauhličování kovů a slitin

Během dlouhé historie bylo vyvinuto několik metod. Moderní technologie umožňují provádět cementační procesy za následujících podmínek:

• pevné médium;
• plynové prostředí;
• kapalné médium;
• vakuum;
• pomocí speciální pasty;
• cementace v elektrolytu.

Výše uvedené metody se liší technologií a hloubkou nasycení. Pojďme se na ně podívat blíže.

Cementace pomocí pevných médií

K nauhličování oceli pomocí této technologie se používají speciální látky obsahující uhlík zvané nauhličovače.

Karburátory jsou schopny uvolňovat uhlík do okolních materiálů. To vyžaduje vysokou teplotu.

Nejoblíbenější karburátory jsou:

• březové uhlí;
• dubové dřevěné uhlí.

Někdy se používá jejich směs. Pro provoz se uhlí drtí na frakce, jejichž velikost by neměla přesáhnout 10 mm. Poté se smísí se solí kyseliny uhličité z jakéhokoli kovu alkalické skupiny. Hmotnostní podíl uhlí ve složení zpravidla dosahuje 88–90%. Před použitím se směs prosévá, aby se odstranily nejmenší frakce, jako je prach a drobky.

1. Schnout. V tomto případě se sůl a uhlí důkladně promíchají. V opačném případě bude výsledek nekvalitní: na povrchu budou viditelné neošetřené oblasti oceli.
2. Mokrý. Uhlí se zalévá vodným roztokem solanky a poté se suší. Vlhkost pracovní směsi by neměla překročit 6–7 %.

Poslední metoda je považována za nejúčinnější pro vysoce kvalitní úpravu oceli.

Proces nasycení povrchu uhlíkem je následující:

1. Pracovní směs se nalije do krabic vyrobených z tepelně odolného materiálu. Tvar a rozměry závisí na typu zpracovávaných dílů.
2. Předměty určené k cementování jsou umístěny v krabici. Uhelná směs by měla být rovnoměrně rozložena po vnitřním povrchu.
3. Aby se zabránilo únikům, je nádoba utěsněna ošetřením zapuštěné části šamotovou hlínou.
4. Krabice se vloží do pece, která je vyhřátá na 700 °C.
5. V této fázi se provádí vizuální kontrola procesu: všechny vyhřívané prvky musí mít rovnoměrnou barvu bez tmavých skvrn na povrchu.
6. Teplota v peci se zvýší na provozní úroveň: 800–950 °C. Začíná proces aktivního uvolňování uhlíku a jeho pronikání do mezikrystalické mřížky oceli.
7. Doba zpracování závisí na požadované hloubce nauhličení oceli.

Proces cementace v plynném prostředí

Tato technologie zpracování oceli se používá ve velkých podnicích pro hromadnou výrobu. V tomto případě hloubka průniku uhlíku nepřesahuje 2 mm. Pracovní látkou jsou plyny umělého nebo přírodního původu s vysokým obsahem uhlíku. Nejoblíbenější jsou plyny, které jsou vedlejšími produkty rozkladu ropných produktů.

Kerosen se používá k výrobě plynu kvůli nestabilitě uhlíku v jeho složení. Část plynu je upravena tak, aby se zvýšila hloubka průniku.

Stejně jako v předchozím způsobu se pro zpracování používají speciální hermeticky uzavřené pece.

Technologie se vyznačuje dlouhým procesem zpracování. K získání nasycené vrstvy oceli o hloubce 1,2 mm je zapotřebí 15 hodin při 900 °C. Pro urychlení reakce je nutné zvýšit teplotu.

Moderní závody zpracovávají pomocí hořlavých zemních plynů, které udržují uhlíkovou rovnováhu uvnitř pece.

Provádění cementace v kapalném prostředí

Reakce probíhá v nasyceném roztoku uhličitanových solí alkalických kovů, které mají nízkou teplotu tání. Proces zpracování je následující:

1. Solný roztok se nalije do speciální nádoby.
2. Části se ponoří do kapaliny.
3. Roztok se zahřeje na provozní teplotu, která je 850 °C.
4. Obrobek je uchováván po stanovenou dobu. Obvykle to nepřesáhne 3 hodiny.

Výhodou této metody je vysoká reakční rychlost a rovnoměrný povlak na povrchu oceli. Nevýhodou je hloubka průniku karbonu – až 0,5 mm.

Cementace ve vakuu

Pokročilá technologie, která se vyznačuje vysokou rychlostí pronikání uhlíku do oceli. Proces zpracování je plně automatizovaný: doba dodávky uhlíku, nastavení provozního tlaku a reakční rychlost jsou řízeny softwarem nainstalovaným na všech počítačích pece.

1. Ocelový blok je umístěn v komoře.
2. Veškerý vzduch je čerpán ven z pouzdra, čímž vzniká vakuum.
3. Trouba je vyhřátá na provozní teplotu.
4. Část je uchovávána po určitou dobu.
5. Uhlovodíkový plyn je přiváděn do komory pod tlakem.
6. Pod vlivem vakua se uhlík aktivně zavádí do krystalové mřížky.
7. Nauhličování oceli se provádí v několika stupních v závislosti na požadované hloubce průniku.
8. Do komory se přivádí inertní plyn, který ochlazuje teplotu.

Z výhod je třeba vyzdvihnout úplnou absenci kyslíku, což zlepšuje kvalitu zpracování.

Metody cementování pastami

Pokud úprava není trvalá, používají se speciální pasty vyrobené ze sazí a dřevěného uhlí dřevěného původu. K dosažení hluboké penetrace je nutná silná vrstva. Poté je díl umístěn do indukční pece. K dosažení výsledku je zapotřebí teplota 1000–1050 °C.

V elektrolytickém roztoku

Tento způsob zpracování oceli je podobný galvanizaci. Proces probíhá v roztoku elektrolytu, ve kterém se vlivem elektřiny tvoří volné atomy uhlíku. Teplota a napětí se nastavují v závislosti na požadované hloubce průniku.

Je možné cementovat ocel doma?

V případě potřeby můžete kov cementovat doma. Zpravidla se pro tyto účely volí technologie zpracování v pevném médiu. Doba nasycení může trvat několik hodin, takže hlavním problémem řemeslné práce je udržení nastavené teploty během celého cyklu.

Kvalita domácího zpracování je výrazně nižší než v průmyslovém prostředí. Navíc rentabilita práce může být zajištěna pouze velkým množstvím zpracovaných dílů, což není vždy možné.

Vlastnosti kovů po zpracování

V důsledku nasycení uhlíkem může tvrdost vrchní vrstvy dosáhnout 64 HRC. Intenzivní teplotní působení mění strukturu po cementaci.

Pro vyrovnání těchto vlastností se obrobek podrobí opakovanému zpracování a kalení, po kterém následuje normalizace nebo popouštění v závislosti na typu oceli.

Během kalení se v důsledku tvorby feritu zjemňuje struktura zrna.

Aby se zabránilo povrchovým deformacím, provádí se v konečné fázi nízkoteplotní temperování oceli.

Cementace oceli se používá k získání vysoce pevného povrchu, který vydrží značné zatížení, což zvyšuje jeho životnost. Zkoušeli jste někdy doma zpracovávat díly touto technologií? Řekněte nám o kvalitě produktu, který jste obdrželi, v komentářích.