Объяснение процесса цементации: определение, виды и характеристики.

Цементация — это высокотемпературный процесс поверхностного упрочнения, позволяющий получать компоненты с твердой, износостойкой внешней поверхностью и прочным, амортизирующим сердечником. Цементация является стандартной термообработкой для компонентов, используемых в тяжелой промышленности, в автомобильной и аэрокосмической отраслях, включая шестерни трансмиссий, приводные валы и подшипники, работающие под высокими нагрузками.

Что такое науглероживание?

Цементация — это химический процесс термической обработки, при котором заготовка нагревается и выдерживается в цементирующей среде, что позволяет атомам углерода проникать в ее поверхность. Это распространенный процесс термической обработки металлических материалов, позволяющий цементированной поверхности заготовки достичь высокой твердости и улучшенной износостойкости. Процесс цементации широко используется для механических деталей в самолетах, автомобилях и тракторах, таких как шестерни, валы и распределительные валы.

В зависимости от используемых углеродсодержащих сред, цементацию можно классифицировать на газовую цементацию, цементацию в твердом состоянии и цементацию в жидком состоянии.

Газовая цементация — это процесс, при котором заготовка помещается в герметичную цементационную печь, в которую вводится газообразный цементатор (метан, этан и др.) или жидкий цементатор (керосин, бензол, спирт, ацетон и др.). При высоких температурах они разлагаются на активные атомы углерода, которые проникают в поверхность, образуя высокоуглеродистый поверхностный слой.

Твердофазная цементация — это самый ранний метод, включающий помещение заготовки и твердофазного цементатора (древесного угля с активатором) в герметичный цементационный ящик, который затем нагревается в печи до температуры цементации и выдерживается в течение определенного времени, чтобы позволить активным атомам углерода проникнуть в поверхность.

Жидкостная цементация использует жидкую среду в качестве абразивного материала. К распространенным жидким цементирующим средам относятся карбид кремния и цементирующие агенты «603».

Газовая цементация

Газовая цементация в настоящее время является наиболее распространенным и быстрорастущим методом. Она позволяет создавать контролируемую атмосферу и обеспечивать стабильное качество продукции за счет рациональной настройки параметров процесса.

Газовая науглероживание сегодня широко распространено благодаря своей пригодности для массового производства, упрощению операций и легкому контролю качества. В качестве основного реагента в этом методе в основном используется природный газ, пропан или бутан. Он обладает такими преимуществами, как регулируемая концентрация углерода на поверхности, легкая автоматизация потока газа и контроля температуры, а также простота управления. К недостаткам относятся дорогостоящее оборудование и высокие затраты на небольшие партии, требующие специальных знаний в области эксплуатации.

Изображение Фото: ScienceDirect

Существует два метода газовой цементации: капельный метод и эндотермический газовый метод. При капельном методе заготовка помещается в герметичную печь ямного типа с активной цементирующей средой и нагревается до однофазной аустенитной области при температуре 900–950 °C (обычно 930 °C). После выдержки в течение достаточного времени активные атомы углерода, образовавшиеся в результате разложения среды, проникают в поверхность стали, что приводит к высокому содержанию углерода на поверхности, в то время как сердцевина сохраняет свой первоначальный состав. Цементирующая атмосфера в печи в основном образуется за счет разложения органических жидкостей, таких как керосин, ацетон, толуол и формальдегид, при высоких температурах и состоит преимущественно из CO, H₂ и CH₄, с небольшим количеством CO₂ и H₂O.

Процесс газовой науглероживающей обработки также состоит из трех основных стадий: разложения, абсорбции и диффузии. Сначала науглероживающая среда разлагается при высоких температурах с образованием активных атомов углерода:

CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]

2CO ⇌ CO₂ + [C]

CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]

Впоследствии активные атомы углерода абсорбируются поверхностью стали, растворяются в высокотемпературном аустените и диффундируют внутрь, образуя науглероженный слой определенной толщины. Глубина слоя зависит главным образом от времени выдержки. При постоянной температуре более длительное время выдержки приводит к образованию более толстых слоев. В производстве часто используется метод «проверки образцов на месте» для определения точного времени вытяжки.

При использовании печи ямного типа при температуре 930 °C зависимость между временем и глубиной цементации выглядит следующим образом:

Вакуумная цементация

Вакуумная цементация включает в себя помещение заготовки в вакуумную печь, её вакуумирование и нагрев для очистки внутренней поверхности. После достижения температуры цементации вводится углеводород (например, пропан). Через определённый период времени подача цементирующего вещества прекращается, и печь снова вакуумируется для диффузии.

Вакуумная цементация — это вид газовой цементации, выполняемый в вакууме, как правило, при более высоких температурах (1030–1050 °C). Вакуум оказывает очищающее воздействие на поверхность, способствуя адсорбции атомов углерода и значительно сокращая время цикла примерно до одной трети от времени, необходимого для стандартной газовой цементации. Кроме того, вакуумные печи не увеличивают затраты на техническое обслуживание при высоких температурах.

Кроме того, вакуумная цементация не требует использования газа-носителя или контроля потенциала углерода. Концентрация углерода зависит от соотношения времени нагрева и времени диффузии, что исключает необходимость в контроллерах потенциала углерода и генераторах газа. Этот процесс обеспечивает значительные преимущества для качества продукции и энергосбережения.

Плазменная цементация

Плазменная цементация использует плазменную бомбардировку для усиления газовой цементации. Как и вакуумная цементация, она не требует газогенераторов или регуляторов потенциала углерода. Концентрацию слоя можно контролировать, регулируя плотность разрядного тока. Благодаря упрочнению процесса плазменным воздействием скорость цементации значительно выше, чем при обычной цементации, и даже сравнима с вакуумной цементацией.

Изображение Фото: ScienceDirect

Стали для цементации

Для цементации обычно используются низкоуглеродистые стали и низкоуглеродистые легированные стали с требуемой массовой долей углерода 0.1%–0.25% для обеспечения достаточной прочности и ударной вязкости сердечника. Для улучшения закаливаемости, измельчения зерна, предотвращения перегрева и повышения ударной вязкости сердечника добавляются легирующие элементы, такие как Cr, Ni, Mn, Ti и Mo.

Типичные сорта и области применения:

Низкопрочные стали (S355, 1022, 5120 и др.): используются для изготовления износостойких деталей, работающих при низких нагрузках, таких как фрикционные пластины, втулки и измерительные приборы.

Среднепрочные стали (20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo и др.): используются для деталей, подверженных износу и усталости при средних нагрузках, таких как валы, шестерни и штифты.

Высокопрочные стали (12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi и др.): используются для изготовления высокопрочных деталей, подверженных большим нагрузкам, таких как валы мощных двигателей и шестерни для тяжелых условий эксплуатации.

Термическая обработка после цементации

После цементации заготовки должны пройти термообработку для улучшения прочности поверхности, твердости и износостойкости, а также для измельчения зерна и повышения ударной вязкости сердцевины.

Прямая закалка

Прямая закалка предполагает охлаждение заготовки в печи (или предварительное охлаждение) до 760–860 °C после цементации и последующей закалки. Предварительное охлаждение снижает внутренние напряжения и деформации и позволяет высокоуглеродистому аустениту осаждаться карбидами, уменьшая количество остаточного аустенита. Этот метод повышает производительность и снижает затраты, но подходит только для сталей с изначально мелкозернистой структурой, а не для случаев с очень высокой концентрацией углерода на поверхности.

Однократное закаливание

После медленного охлаждения, следующего за цементацией, заготовка повторно нагревается выше критической температуры и ЗакаленныйЕсли требования к прочности сердечника высоки, температура должна быть немного выше A3. Для деталей с низкой нагрузкой, но высокими требованиями к поверхности, температура устанавливается на 30–50 °C выше Ac1.

Двойное закаливание

Двойная закалка используется для деталей с высокими механическими требованиями или изготовленных из сталей с изначально крупнозернистой структурой. Первая закалка (выше A3 + 30–50 °C) улучшает структуру сердцевины. Вторая закалка (выше Ac1 + 30–50 °C) измельчает структуру поверхности для получения мелкозернистого мартенсита и гранулированных вторичных карбидов.

После закалки цементированные детали подвергаются отпуску при температуре 150–250 °C. Для нелегированных сталей типичная температура составляет 150–180 °C; для легированных сталей используется температура 160–200 °C. После закалки и низкотемпературного отпуска твердость поверхности может достигать 58–64 HRC с отличной износостойкостью, при этом сердцевина остается прочной. Сжимающее напряжение, образующееся на поверхности, также повышает усталостную прочность.

Эксплуатационные характеристики цементированных деталей

Микроструктура поверхности после закалки состоит преимущественно из высокотвердого мартенсита, а также остаточного аустенита и небольшого количества карбидов. В сердцевине находится прочный низкоуглеродистый мартенсит (феррита следует избегать). Типичная глубина слоя составляет 0.8–1.2 мм, достигая более 2 мм при глубокой цементации. Твердость поверхности достигает 58–63 HRC, а твердость сердцевины — 30–42 HRC. Цементация эффективно повышает прочность, ударную вязкость и износостойкость, тем самым продлевая срок службы детали.

Как Getzshape может помочь

Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке и многому другому. Используя современное оборудование и строгий контроль качества, мы гарантируем точность и своевременную доставку как прототипов, так и крупных производственных партий. В качестве вашего комплексного партнера по производству, мы оптимизируем процессы закупки материалов, обработки, постобработки и логистики.