Цементация металла и стали в Днепре
Среди всех материалов, используемых в различных отраслях промышленности, лишь немногие могут использоваться так широко, как сталь. Это связано в первую очередь с тем, что сталь может выпускаться огромного количества марок, различающихся по своему химическому составу и способу получения, а также по физико-химическим свойствам.
Дополнительным преимуществом стали является возможность улучшения отдельных параметров на различных стадиях обработки, что дает возможность добиться требуемых свойств в оптимальный момент технологического процесса.
Это возможно благодаря использованию методов тепловой и термохимической обработки. Особенно часто применяют приемы, позволяющие вводить в структуру металла дополнительные элементы, например путем науглероживания (цементация металлов) или азотирования сталей.
Как улучшить прочностные характеристики стали?
Сталь очень часто используется для производства изделий, которые должны обладать особыми свойствами по устойчивости к различным внешним факторам, связанным с условиями, в которых она будет использоваться. В особенности это относится к элементам различных машин и устройств, работающих с большими механическими и тепловыми нагрузками.
Это будут, например:
- детали и узлы для двигателей внутреннего сгорания;
- элементы систем трансмиссии, включая всевозможные шестерни, валы, рычаги или втулки;
- детали корпусов и так далее.
Возникающие в таких случаях трения или значительные удары заставляют соответствовать требованиям к отдельным элементам, особенно к их поверхностям, подвергающимся прямому воздействию больших сил.
Одним из способов повышения механической и термической прочности поверхности металла является использование различных методов термической обработки путем воздействия высокой температуры, что приведет к изменению внутренней структуры материала, переводя его в улучшенные свойства, например, по твердости или стойкости к истиранию.
В рамках термической обработки также выполняются отжиг и обработка на твердый раствор. В первом случае речь идет о релаксации материала и унификации его структуры, во втором, используемом для различных сплавов, речь идет о равномерном распределении отдельных элементов по всей структуре.
Термическая обработка в виде закалки и отпуска может успешно применяться как ко всему элементу, так и только к его внешнему слою. Однако еще более далеко идущие эффекты можно получить, предварительно проведя процесс насыщения стали выбранными элементами, например углеродом. Для этого перед закалкой и отпуском выполняется цементация металл (науглероживание).
Процесс науглероживания стали
Процесс цементации или науглероживания стали заключается во введении в структуру стали дополнительных атомов углерода. Из-за кристаллической структуры материала, чтобы это стало возможным, необходимо нагреть его поверхность до температуры, которая позволит включить углерод в их структуру.
Цементация стали сопровождается изменением химического состава поверхности сплава, что также требует обеспечения соответствующей концентрации атомов углерода в непосредственной близости от улучшенной поверхности.
Атомы углерода внедряются в структуру стали путем диффузии. Она позволяет адсорбировать элемент в окружающей среде до выравнивания уровня концентрации, а затем диффундировать его далее вглубь. Свободные атомы углерода могут доставляться на поверхность науглероженного металла как в газообразной форме и в соответствующем жидком растворе, так и в твердом состоянии.
После активации металла термическим воздействием углерод проникает через свободные пространства кристаллической решетки и занимает следующие свободные узлы. Скорость диффузии связана как с температурой нагрева науглероженной подложки, так и с наличием свободных атомов углерода.
Цементирование металла – методики
Науглероживание может осуществляться в разных центрах. Используется наличие твердого вещества, например, в виде порошка древесного угля с добавлением активаторов без доступа воздуха. В случае жидкостей используются выбранные соли, например, хлориды или карбонаты щелочных металлов.
Часто используемый метод, который дает превосходный контроль над составом среды науглероживания и, следовательно, над количеством доступного углерода, представляет собой науглероживание в газе. Обычно используется метан или угарный газ. Также возможна вакуумная цементация стали 20 (или любой другой марки) при значительно пониженном давлении или ионизация с образованием плазмы.
Цементация – это процесс, который требует нагрева материала выше температуры образования аустенита, т. е. до 850–950°С. Стали с более низким содержанием углерода требуют более высоких температур.
Цементация деталей – преимущества
Процесс цементации шестерен и прочих изделий из металла значительно повышает твердость поверхности металла и в то же время улучшает его стойкость к истиранию, хотя все же требует дополнительных упрочняющих обработок. В зависимости от используемого сплава и применяемых процедур полученная твердость может составлять от 55 до 62 HRC.
Преимуществом метода науглероживания является одновременное сохранение пластичности и прочности материала в ядре, т.е. вне зоны науглероживания. На практике толщина слоя с повышенным содержанием углерода составляет около 0,5-2 мм, а содержание углерода в этой зоне составляет от 1 до 1,1%.