Что такое цементация: преимущества, процесс, виды и применение

Каждое применение предъявляет разные требования к твёрдости материала, из которого изготавливаются его компоненты. Однако для достижения нужного уровня твёрдости металлы упрочняют с помощью процесса цементации.

Существуют различные типы металлов, которым может требоваться упрочнение, и оно достигается посредством процесса цементации. Если вы хотите узнать, что такое цементация, прочитайте руководство ниже.

Что такое цементация?

Цементация — это процесс термической обработки, который улучшает свойства материалов, например твёрдость, за счёт насыщения поверхности металла углеродом. Поверхность металла может испытывать недостаток углерода, поэтому добавление углерода необходимо для формирования твёрдого слоя вокруг неё.

Преимущества цементации

Цементация обладает рядом разнообразных преимуществ, некоторые из них перечислены ниже:

• Процесс цементации очень прост, выполняется быстро и даже не требует особых навыков. Он также совместим с множеством типов материалов, таких как чугун и углеродистая сталь. Он подходит для сложных форм и конструкций.
• Цементация — недорогой процесс, и при ограниченных затратах он позволяет придать компонентам твёрдость.
• Цементация подходит для больших объёмов, поскольку она автоматизирована и упрочняет крупные партии изделий.
• Она обеспечивает лучший контроль размеров, и даже после упрочнения деформация незначительна.
• Она повышает износостойкость и пластичность заготовки.
• Цементация придаёт компонентам высокую усталостную прочность, поэтому твёрдый наружный слой позволяет компоненту выдерживать высокие нагрузки.

Этапы цементации

Процесс цементации состоит из следующих этапов:

Насыщение углеродом

На первом этапе компонент очищают, а затем помещают в плотно закрытый ящик, содержащий углеродсодержащие материалы. Для герметизации ящика можно использовать огнеупорную глину. Затем ящик помещают в печь при температуре 925 градусов Цельсия примерно на 10 часов.

Диоксид углерода образуется из углеродсодержащего материала, который разлагается на углерод и монооксид углерода. Углерод диффундирует в компонент, который подвергается цементации. Деталь поглощает углерод слоями, после чего ящик извлекают из печи.

Термическая обработка

Затем деталь снова помещают в печь для этапа термической обработки. Её выдерживают в печи около 15 минут при температуре 790 градусов Цельсия. Это способствует превращению металла в аустенит, а затем, после извлечения из печи, деталь помещают в воду. Это приводит к быстрому охлаждению и образованию твёрдых структур.

Отпуск

Внутренние напряжения возникают из-за быстрого охлаждения, поэтому важно снять эти напряжения путём отпуска. Можно нагреть деталь при низкой температуре и оставить её остывать на воздухе после часовой выдержки при нагреве.

Виды цементации

Существуют различные виды процессов цементации, они рассмотрены ниже.

Газовая цементация

Газовая цементация заключается в нагреве углеродистой стали до температуры аустенитизации в углеродсодержащей атмосфере. Используется газ-носитель, и компонент выдерживают в печи с пропаном и метаном. Это смесь CO2, CH4, CO и т. д.

При температуре цементации пропан разлагается на поверхности детали, и углерод диффундирует в поверхность. Температура составляет около 925 градусов Цельсия, а время, необходимое для цементации, — 2 часа.

Вакуумная цементация

Процесс вакуумной цементации предполагает использование бескислородной среды и низкого давления. В процессе используются углеводороды, то есть такие газы, как метан. Среда не содержит кислорода, и при необходимости температуру можно повышать. Чем выше температура, тем выше скорость диффузии углерода.

Жидкостная цементация

Жидкостная цементация — это процесс, применяемый для цементации стальных или чугунных деталей. Эти детали выдерживают в расплавленной соли при температуре выше Ac1, при этом в поверхностный слой вводятся азот и углерод. В жидкостной цементации используется цианид, в состав которого входят азот и углерод.

Деталь помещают в соляную ванну с температурой около 900 градусов Цельсия; соль при этом высокотоксична. Соль насыщает поверхность детали азотом, что придаёт ей твёрдость.

Твёрдая цементация (цементация в твёрдом карбюризаторе)

Твёрдая цементация — это процесс, при котором монооксид углерода образуется из твёрдого соединения, разлагающегося на поверхности металла на диоксид углерода и активный углерод. Цементационные контейнеры изготавливают из углеродистой стали с алюминиевым покрытием, углеродистой стали или жаропрочных железоникельхромовых сплавов.

Детали помещают в герметичный ящик с цементационной средой, в качестве которой может использоваться древесный уголь или кокс. В процессе применяется газовая цементация: монооксид углерода диссоциирует на диоксид углерода, который затем насыщает поверхность детали углеродом. Процесс занимает от 2 до 36 часов при температуре от 800 до 845 градусов Цельсия.

Плазменная цементация

В процессе плазменной цементации используется тлеющий разряд постоянного тока, который наносит слой углерода на деталь. Напряжение постоянного тока подаётся между деталью и электродом, а заготовка находится в цементационной камере. Затем углерод выделяется в виде плазменного разряда.

Капельная цементация

В капельной цементации используются органические вещества, например метанол, который подаётся в цементационную печь. Образующийся газ разлагается на поверхности деталей, оставляя твёрдый слой углерода.

Нитроцементация

Нитроцементация также проводится на стали и обеспечивает массовую долю углерода от 0,4 до 0,5 процента. Она способствует упрочнению поверхности детали; к таким деталям могут относиться валы и шестерни. В процессе модифицируется газ, содержащий метан и аммиак.

Цементация и азотирование: сравнение

Цементация и азотирование — оба процесса способствуют упрочнению стали и других металлов. Однако единственное различие между ними заключается в материале, используемом в процессе.

Цементация применяется для диффузии углерода в поверхность металла путём нагрева в присутствии углеродсодержащего материала. Азотирование, в свою очередь, использует азот и воздействует на деталь высокими температурами.

Применение цементации

Процесс цементации применяется во многих областях для упрочнения металлов, используемых в деталях; некоторые из этих применений приведены ниже:

Аэрокосмическая отрасль: Детали самолётов, такие как детали двигателей и шасси, требуют высокой прочности, для чего необходима цементованная сталь.

Морская отрасль: Такие компоненты, как зубчатые передачи и двигатели, изготавливаются с использованием цементованных деталей, обеспечивающих коррозионную стойкость и износостойкость.

Автомобильная отрасль: В автомобильной отрасли для деталей, требующих высокой прочности и износостойкости, таких как подшипники, шестерни и валы, применяется цементация.

Сельское хозяйство: В сельскохозяйственной технике используется цементованная сталь, поскольку её детали должны выдерживать жёсткие условия эксплуатации.

Начните свой проект по обработке стали на станках с ЧПУ в DEK

Цементованные стальные детали широко применяются во многих областях, и если вы хотите изготовить и цементовать компоненты для своего предстоящего проекта, свяжитесь с нами по адресу DEK. Мы предлагаем высококачественные детали, разработанные в соответствии с вашими индивидуальными требованиями и пригодные для различных проектов.

Заключение

Существует несколько видов процесса цементации, и каждый из них имеет свои особенности. Очень важно понимать каждый вид процесса цементации и его применимость, чтобы выбрать подходящий в соответствии с требованиями вашего проекта.