Цементация металла – виды цементации стали и нюансы процесса

1. Сущность процесса цементации
2. Проведение цементации стали в твердой среде
3. Цементация деталей в газовой среде
4. В каких еще средах может проводиться цементация стали

Цементация, осуществляемая в различных средах и исключительно под воздействием высоких температур, является очень распространенным методом химико-термической обработки металла, успешно применяемым уже не один десяток лет.

Подготовка деталей для цементации

Сущность процесса цементации

Смысл любых методов химико-термической обработки металлов, к числу которых относится и цементация стали, заключается в том, что изделие нагревают до высокой температуры в специальной среде (жидкой, твердой или газообразной). Такое воздействие приводит к тому, что меняется химический состав металла – поверхность обрабатываемого изделия насыщается углеродом, в итоге становится более твердой и износостойкой. Что важно, сердцевина обработанных деталей остается вязкой.

Добиться желаемого эффекта после такого воздействия на металл можно лишь в том случае, если обработке подвергают низкоуглеродистые стали, в составе которых углерода содержится не более 0,2%. Для того чтобы выполнить цементацию, изделие нагревают до температуры 850–950 градусов Цельсия, а состав среды подбирают таким образом, чтобы она при нагреве выделяла активный углерод.

Если цементацию стали проводить квалифицированно, можно не только изменить химический состав металлического изделия, но также преобразовать его микроструктуру и даже фазовый состав. В результате удается значительно упрочнить поверхностный слой детали, придать ему характеристики, сходные со свойствами закаленной стали. Для того чтобы добиться таких результатов, необходимо правильно подобрать параметры химико-термической обработки металла – температуру нагрева и время выдержки обрабатываемого изделия в специальной среде.

Оборудование для вакуумной цементации стали

Данная технологическая операция является достаточно продолжительной по времени, так как процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом проходит очень медленно (0,1 мм за 60 минут). Учитывая тот факт, что упрочненный поверхностный слой для большинства изделий должен составлять не менее 0,8 мм, можно рассчитать, что на выполнение цементации металла необходимо будет затратить не менее 8 часов. Основными типами сред для выполнения цементации металла (или, как их правильно называют, карбюризаторами) являются:

• газообразные среды;
• растворы электролитов;
• пастообразные среды;
• кипящий слой;
• твердые среды.

Наиболее распространенными являются газообразные и твердые карбюризаторы.

Зависимость толщины цементованного слоя от времени и температуры обработки

Проведение цементации стали в твердой среде

Чаще всего для выполнения цементации металла в твердой среде используется смесь, состоящая из углекислого натрия, бария или кальция и березового или дубового древесного угля (70–90%). Перед этим все компоненты такой смеси измельчаются до фракции 3–10 мм и просеиваются, что необходимо для удаления слишком мелких частиц и пыли.

После того, как компоненты смеси для химико-термической обработки металла подготовлены, их можно смешать несколькими способами.

• Компоненты смеси (соль и уголь) тщательно перемешиваются в сухом состоянии. Если пренебречь этим требованием, то после окончания процесса цементации на поверхности изделия могут образоваться пятна.
• Соль растворяют в воде и полученным раствором поливают древесный уголь, после чего его просушивают до достижения влажности не более 7%.

Следует отметить, что второй способ предпочтительнее, так как позволяет получить смесь с более равномерным составом.

Древесноугольный карбюризатор

Как в производственных, так и в домашних условиях цементация изделий из стали выполняется в ящиках, в которые засыпан карбюризатор. Чтобы улучшить качество поверхностного слоя обрабатываемого металла, а также сократить время, идущее на прогрев ящиков, лучше всего изготавливать их максимально приближенными к размерам и формам деталей.

Оптимальные условия для протекания цементации стали можно создать, исключив утечку газов, образующихся в карбюризаторе в процессе нагрева. Для этого ящики, у которых должны быть плотно закрывающиеся крышки, тщательно обмазывают огнеупорной глиной перед помещением в печь.

Естественно, использовать специально изготовленные ящики целесообразно лишь в промышленных условиях. Для цементации металла в домашних условиях применяют ящики стандартных размеров и формы (квадратные, прямоугольные, круглые), подбирая их в зависимости от количества обрабатываемых деталей и внутренних размеров печи.

Оптимальным материалом для таких ящиков является жаростойкая сталь, но может быть использована и тара из малоуглеродистых сплавов. Технологический процесс цементации изделий из металла выглядит следующим образом.

Наглядное изображение изменения структуры после цементации

• Подготовленные для обработки детали укладывают в ящики, пересыпая слоями карбюризатора.
• Наполненные ящики, обмазанные огнеупорной глиной, помещают в предварительно прогретую печь.
• Выполняют так называемый сквозной прогрев ящиков с деталями, при котором они нагреваются до температуры 700–800 градусов Цельсия. О том, что ящики хорошо прогрелись, судят по цвету подовой плиты: на ней не должно быть темных пятен в местах соприкосновения с тарой.
• Температуру в печи поднимают до 900–950 градусов Цельсия. Именно при таких значениях проводят цементацию стали.

Высокая температура и специальная среда, в которой находится металл, способствуют тому, что происходит диффузия атомов активного углерода в кристаллическую решетку стали. Следует отметить, что выполнение цементации стали возможно в домашних условиях, но часто не позволяет добиться желаемого эффекта. Объясняется это тем, что для процесса цементации необходима длительная выдержка детали при высокой температуре. Как правило, это трудно обеспечить в домашних условиях.

Цементация деталей в газовой среде

Авторами данной технологии являются С. Ильинский, Н. Минкевич и В. Просвирин, которые под руководством П. Аносова впервые использовали ее на комбинате в г. Златоусте. Суть данной технологии заключается в том, что обрабатываемые детали из металла нагреваются в среде углеродосодержащих газов, которые могут быть искусственного или природного происхождения. Чаще всего используется газ, который образуется при разложении продуктов нефтепереработки. Такой газ получают следующим способом:

• нагревают стальную емкость и подают в нее керосин, который при испарении разлагается на смесь газов;
• состав некоторой части (60%) полученного газа модифицируют (крекирование).

Полученная смесь и используется для выполнения химико-термической обработки стали.

Процесс цементации стали

Если цементацию стали провести с применением только пиролизного газа, без добавления крекированного, то глубина науглероженного слоя будет недостаточной. Кроме того, в таком случае на поверхности обрабатываемой детали осядет большой слой сажи, на удаление которого может уйти много времени и сил.

Печи, которые используются для выполнения газовой цементации металла, должны герметично закрываться. На современных производственных предприятиях применяют два основных типа таких печей: методические и стационарные. Сам процесс цементации в газовой среде выглядит следующим образом. Обрабатываемые детали помещают в печь, температуру в которой доводят до 950 градусов Цельсия. В нагретую печь подают газ и выдерживают в нем детали определенное время.

По сравнению с цементацией стали с использованием твердого карбюризатора, данная технология имеет ряд весомых преимуществ:

• обеспечение лучших условий для обслуживающего персонала;
• высокая скорость достижения требуемого эффекта за счет того, что детали в газовой среде могут выдерживаться меньшее количество времени (к тому же не требуется время для приготовления твердого карбюризатора).

Цементация стали в домашних условиях

В каких еще средах может проводиться цементация стали

Отдельные сорта углеродистых, низкоуглеродистых и легированных сталей, в частности 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А и др., могут проходить цементацию в других средах.

Электролитический раствор

В такой среде можно науглероживать только детали, отличающиеся небольшими размерами. Основывается данный метод на анодном эффекте, благодаря которому и происходит насыщение поверхности металла углеродом, содержащимся в растворе электролита. Для того чтобы раствор содержал достаточное количество активного углерода, в него добавляют глицерин, ацетон, сахарозу и другие вещества. Перед тем, как поместить деталь из стали в раствор, его нагревают до температуры 450–1050 градусов Цельсия (в зависимости от обрабатываемого металла и размеров детали). Для разогрева раствора используют электрический ток с напряжением 150–300 В.

Кипящий слой

Цементацию стали по данной технологии проводят в среде раскаленного газового потока, формируемого при прохождении метана и эндогаза через слой нагретого мелкоизмельченного (0,05–0,2 мм) корунда.

Пастообразные составы

Для науглероживания поверхности металла по данной технологии используются специальные пасты, состоящие из желтой соли, древесной пыли и сажи. Перед обработкой деталь обмазывают такой пастой и просушивают, а только затем нагревают до температуры 910–1050 градусов Цельсия при помощи токов высокой частоты.

По какой бы технологии ни была выполнена цементация стали, после ее окончания рекомендуется провести отпуск металла.

Цементация стали: цель, технология процесса, режимы

Цементация металла – это вид термической обработки металлов с использованием дополнительного химического воздействия. Атомарный углерод внедряется в поверхностный слой, тем самым его насыщая. Насыщение стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Цементация стали

Содержание

Процесс цементации

Целью цементация стали является повышение эксплуатационных характеристик детали. Они должны быть твердыми, износостойкими снаружи, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.

Для достижения данных требований требуется высокая температура, среда, выделяющая свободный углерод. Процесс цементации применим к сталям с содержанием углерода не больше двух десятых долей процента.

Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают с использованием печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При такой температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решетки стали.

Цементация деталей достаточно продолжительный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Не трудно подсчитать, что требуемый для длительной эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.

Влияние на глубину слоя продолжительности цементации

На графике наглядно показано на сколько зависит продолжительность по времени от глубины наугрероживаемого слоя и температуры нагрева.

Технологически цементация сталей производится в различных средах, которые принято называть карбюризаторами. Среди них выделяют:

• твердую среду;
• жидкую среду;
• газовую среду.

Поверхностный слой, получаемый цементацией

Стали под цементацию обычно берутся легированные или же с низким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и подобные им.

Способы цементации

Цементация получила широкое распространение при обработке зубчатых колес и других деталей, работающих при ударных нагрузках. Высокая твердость рабочих поверхностей обеспечивает продолжительный срок работы, а достаточно вязкая середина позволяет компенсировать ударные нагрузки.

Разработаны множество способов науглероживания. Чаще всего используются следующие:

• в твердой среде;
• в жидкости;
• в газе;
• в вакууме.

Как происходит процесс цементации с использованием твердой среды

В качестве твердого карбюризатора берется смесь древесного угля (береза, дуб) и соли угольной кислоты с кальцием и другими щелочными металлами. Количество древесного угля может достигать 90%. Для приготовления смеси компоненты дробятся для улучшения выхода углерода. Размер частиц не должен превышать 10 мм. Так же не должно быть микроскопических частив в виде пыли и крошек, поэтому смесь просеивается.

Цементация стали в твердой среде

Для получения готовой смеси пользуются двумя способами. Первый – соль с углем в сухом состоянии тщательно перемешивается. Второй способ – из соли получают раствор. Для этого ее разводят в воде, а после чего этим раствором обильно смачивают древесный уголь. Перед помещением в печь уголь сушат. Его влажность не должна превышать 7%. Получение карбюризатора последним способом более качественно.

Смесь насыпается в ящики. После чего в них помещают детали. Для исключения оттока газа, получаемого во время нагрева, ящики подвергаются герметизации. Плотно закрывающую крышку дополнительно замазывают шамотной глиной.

Ящики подбираются в зависимости от формы детали, их количества и объема засыпанной смеси. Обычно они бывают прямоугольными и круглыми. Материалом для изготовления ящиков может служить сталь как жаростойкая, так и низкоуглеродистая.

Технологический процесс цементации стали можно представить в следующем порядке:

• Детали, предназначенные под цементацию, закладываются в металлические ящики, при    этом равномерно пересыпаются угольным составом.
• Ящики    герметизируются и подаются в заранее нагретую печь.
• Первоначально производится прогрев до температурных показаний порядка 700С — 800С.
• Контроль прогреваемости производится визуально. Ящики и подовая плита имеют равномерный цвет без затемненных пятен.
• Далее температуры в печи увеличивают до требующихся 850С 950С. В данном    диапазоне происходит диффузия внедрения атомов углерода.
• Длительность    выдерживания деталей в печи напрямую зависит от требуемой толщины слоя.

Как происходит процесс цементации в газовой среде

Цементация стали в среде газов производится при массовом выпуске деталей. Глубина цементации не превышает 2-х мм. Используемые газы – естественные или искусственные газы, содержащие углерод. Обычно используется газ, получающийся при распаде нефтепродуктов.

Цементация стали в газовой среде

Его получают в большинстве случаев нагреванием керосина. Больше половины газа подвергают модификации, его крекируют.

Активный углерод при данном способе обработки получается при распаде, и формула имеет следующий вид:

2СО=СО2+С

СН4=2Н2+С

Если пиролизный газ использовался без модифицированного, то в результате обогащенный слой металла будет недостаточным. К тому же пиролизный газ создает обильную сажу.

Печи для данного способа цементации должны быть герметичными. Обычно пользуются стационарными печами, но как вариант методическими.

Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

Подвергаемые    цементации изделия помещаются в печь. Температура    поднимается порядка 910С — 950С. Производится    подача газа в печь. Выдержка    в газовой среде определенное время.

Длительность термического воздействия составляет 15 часов при температуре в 920С с получаемым слоем 1,2 мм. Для ускорения производственного процесса температуру поднимают. Уже при 1000С получить такой же науглероженный слой возможно за 8 часов.

В последнее время широкое применение нашел способ проведения процесса в эндотермической среде. Во время активного науглероживания в газовой среде поддерживается значительный потенциал углерода за счет введения природного газа (пропана, бутана или метана). На этот период концентрация газ из нефтепродуктов устанавливается на уровне 1%.

Процесс проведения цементации в жидкой среде

Жидкая среда – это расплавленные соли. В качестве солей используются карбонаты металлов, правда, металлы должны быть щелочными с низкой температурой плавления. Температура проведения цементации при данном методе составляет 850С. Процесс происходит во время погружения деталей в ванну с расплавом и выдерживании их там.

Цементация стали в жидкой среде

Цементация в жидкой среде отличается не большим насыщенным слоем, который не превышает 0,5 мм. Соответственно времени занимает до 3 часов. Среди достоинств следует отметить: обработанные детали имеют незначительную деформацию, а также возможна закалка без промежуточного этапа.

Как происходит процесс цементации в вакууме

Недостаточное давление, создаваемое в печи, значительно сокращает время проведения обработки. Цементацию стали и технологический процесс можно представить в следующем порядке:

• При данном методе детали помещаются в холодную печь.
• После герметизации камеры нагрева в ней создается вакуум.
• Затем производят нагрев до требуемой температуры.
• Производится выдержка, которая занимает до часа по времени. За это время выравнивается температура и с поверхности нагретых деталей осыпаются загрязнения, мешающие науглероживанию.
• Затем подается в камеру углеводородный газ под давлением. За счет чего происходит активная фаза обогащения поверхностного слоя.
• На следующем этапе происходит диффузионное внедрение углерода. На этом этапе в камере опять создают вакуумическое давление.
• За короткий промежуток времени не получается требуемого науглероженного слоя, поэтому процесс повторяют до тех пор, пока не получится требуемая глубина. Обычно результат получается за три стадии.
• Охлаждение до температуры окружающей среды происходит в печи под действием инертных газов под разным давлением.

Печь для вакуумной цементации

Процесс полностью компьютеризирован. За подачей газа, температурой, давлением следит программа, отвечающая за весь технологический процесс. Среди достоинств следует отметить:

• регулирование количества углерода;
• отсутствие    кислорода предотвращает образование окислов;
• газ проникает даже в отверстия минимального диаметра;
• чередование процессов происходит при равных условиях;
• полная автоматизация; сокращенные сроки.

Процесс проведения цементации пастами

При производстве разовых работ рациональнее пользоваться пастами для проведения цементации. В составе пасты находятся: сажа с пылью древесного угля. Толщина слоя наносимой пасты должна быть восьмикратно увеличена для получения требуемого насыщенного слоя.

После нанесения состав просушивается. Для процесса цементации используются индукционные высокочастотные печи. Температура проведения процесса достигает 1050С.

Как происходит процесс цементации в электролитическом растворе

Процесс во многом схож с гальваническим покрытием. В нагретый раствор электролита помещается заготовка. Подведенный ток вызывает получение активного углерода и способствует его проникновению в поверхность стальной заготовки.

Таким способом подвергают обработке детали, имеющие небольшой размер. Параметры для прохождения цементации: напряжение тока – 150-300В, температура 450-1050С.

Свойства металла после обработки

После проведения цементации твердость науглероженного слоя достигает: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры металла.

Структура стали после цементации

Для исправления крупного зерна металла детали после цементации подвергаются повторному нагреву и закалке с последующим отпуском или нормализацией.

Закалка производится при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счет получения перлита и феррита.

Вместо закалки для легированных сталей производят нормализацию. После сквозного прогрева в середине детали образуется мартенсит. Нагрев детали зависит от марки стали, из которой она была изготовлена.

Режимы термической обработки стали после цементации

В качестве заключительной фазы проводят низкотемпературный отпуск, который позволяет устранить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.

Недостатки цементации

Как было выше сказано основным недостатком после цементации остается изменение структуры металла. В связи с этим требуется дополнительная обработка, что увеличивает время и так длительного процесса цементации.

Для проведения работ требуется обученный и высококвалифицированный персонал. Среди недостатков следует выделить необходимость подготовки карбюризатора.

В заключение стоит отметить, что цементация позволяет использовать, стали с низким содержанием углерода для изготовления ответственных деталей с длительным сроком эксплуатации, что значительно снижает конечную стоимость.

Для защиты поверхностей, не предназначенных под цементацию, пользуются пастами, намеднением или закладывают увеличенные допуски под обработку.

Цементация стали | Полезные статьи о металлопрокате

• Особенности процесса
• Методы науглероживания
• Цементация в «жидкой» среде
• Цементация газом
• Цементация в вакууме
• Цементация в растворе электролита
• Науглероживание с использованием твердой среды
• Цементация с использованием паст

• Преимущества и недостатки
• Обогащение металла в домашних условиях
• Что же в результате?

Цементация стали – термическая обработка металла, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя обрабатываемого материала углеродом. Цементация направлена на изменение свойств стали, что дает возможность получать металлы желаемой прочности. Цементация проводится на низкоуглеродистых сталях (с содержанием углерода до 0,25%) для изменения свойств поверхностного слоя материала на дальнейших этапах обработки, например, для увеличения его твердости и устойчивости к абразивному износу, при этом, сердечник металла остается мягким и гибким. Содержание углерода в зоне цементации увеличивается до 1–1,3%, а глубина чаще всего составляет 0,5–2 мм. Чаще всего для цементации используются стали различного легирования с процентным содержанием углерода не более 0,3%.

Особенности процесса

Цементация стали представляет собой термический процесс, который имеет множество особенностей:

• Сталь может обрабатываться в твердой, газовой или жидкой среде.
• При равномерном нагревании в одной из этих сред поверхностные свойства стали изменяются – благодаря проникновению в металл углерода повышается его прочность и твердость, улучшается устойчивость к износу.
• Науглероживание легированной стали может проводиться при разных температурах. Так, если цементация происходит на производстве, манипуляции проводят при температуре до 1200 градусов Цельсия. Если цементацию стали проводят в домашних условиях, оптимальная температура нагрева составляет 500 градусов. Так как в процессе равномерного разогревания изменяется атомная решетка стали, ее поверхность получает аналогичные повторной закалке характеристики.
• Стали, используемые для науглероживания, часто содержат хром, который предотвращает перегрев и увеличивает прочность сердечника.

Можно сказать, что науглероживание в какой-то мере идентично закалке, однако в процессе ее проведения сталь становится более твердой, и приобретает высокие эксплуатационные характеристики.

Проводя цементацию стали в домашних условиях, не стоит ожидать быстрого итога, так как максимальная скорость процесса составляет около 0,1 в час, соответственно, чтобы провести науглероживание обычного кухонного ножа с целью упрочнения его характеристик (оптимальный размер упрочнения — 0,8 мм), нужно потратить не меньше 8 часов.

Методы науглероживания

Существует несколько методов цементация стали, некоторые из которых сегодня практически не применяются.

Цементация в «жидкой» среде.

Выполняется путем погружения заготовок в расплавленные соли, которые представляли собой смесь хлоридов, карбонатов или цианидов щелочных металлов. Процесс проводится в следующем порядке:

• Ванны с расплавленными солями нагреваются до температуры 850 градусов.
• Стальные заготовки опускаются в ванны и оставляются там до завершения науглероживания.

Максимальная толщина слоя цементируемой в жидкой основе стали, составляет 0.5 мм – это приблизительно три часа.

Проходит при температуре около 920–950 градусов Цельсия в атмосфере окиси углерода. Науглероживающие газы очищаются, чтобы предотвратить отложение сажи на поверхности стали, которая может препятствовать поглощению углерода. Газовую среду используют при изготовлении двигателей. В процессе производства происходит обогащение стали углеродом вглубь на 2 мм. Процесс обогащения можно разделить на несколько этапов:

• Помещение заготовок в печь, разогретую до температуры 950 градусов.
• Подача насыщенного углеродом газа.
• Выдерживание металлических заготовок на протяжении 12 часов, в результате чего на поверхности стали образуется слой, толщиной до 1,2 мм. Для ускорения процесса температуру печей могут повышать более 1000 градусов.

Науглероживание, которое заключается в нагреве стали в вакуумной среде. Процесс обработки проходит следующим образом:

Заготовки из стали укладываются в печь, внутри которой создается вакуумная среда.

Печь разогревается до заданной температуры, при которой заготовки выдерживаются около часа. После этого в печь начинает поступать углеводородный газ, который и обогащает верхние слои металла.

Далее в печи снова создается вакуумная среда.

Слой необходимой толщины можно получить только после проведения трех аналогичных стадий.

Охлаждение стали проходит также в печи под воздействием инертных газов.

Заготовки помещаются в электролитный раствор, который нагревается до температуры 450 – 1000 градусов, после чего в него подают напряжение до 300 вольт. В ходе такого воздействия метал обогащается углеродом.

С этой целью используется твердый карбюризатор. При цементации в условиях производства используется смесь древесного угля, который получают из березы и дуба, и соль угольной кислоты, насыщенную щелочными металлами. Чтобы процесс обогащения проходил быстрее, смесь дробится до состояния мелкой фракции, размером в 10 мм. Процесс проводится в следующей последовательности:

• Подготовленную угольную смесь засыпают в ящики, куда укладывают и заготовки.
• Проводят герметизацию ящиков, которые потом на протяжении определенного периода прогревают со всех сторон до температуры 800 – 950 градусов.

Длительность обработки зависит от того, какая твердость должна быть предана заготовкам из стали.

Пасты, состоящие из пыли древесного угля, наносят на заготовки, после чего их помещают в индукционную печь, которая прогревается до температуры 1000 градусов. Паста наносится слоем, превышающим в 8 раз толщину предполагаемого углеродного слоя.

Преимущества и недостатки

Науглероживание позволяет получить твердые, износостойкие поверхности, применяемые как в быту, так и на производстве. Механизмы из стали, прошедшие процесс обогащения углеродом, гораздо сильнее защищены от повреждений из-за ударной нагрузки при более мягком сердечнике. В отличие от других процессов поверхностного упрочнения, этот процесс обычно используется для получения большей толщины углеродной пленки. К недостаткам можно отнести:

• Возможное изменение структуры металла.
• Науглероженные изделия нуждаются в финишной обработке.
• Для проведения работ требуется опыт и весьма дорогое оборудование.

Обогащение металла в домашних условиях

Для проведения работ в домашних условиях используется твердая среда. Науглероживание с применением твердой среды не нуждается в приобретении дорогостоящего оборудования и присутствии мастера с опытом работы в данной области. Чтобы провести цементацию, необходимо сделать карбюризатор. Для этого можно:

1. Смешать древесный уголь (измельчив его до примерно одинаковых частиц) с одинаковым количеством соли.
2. Древесный уголь изначально поливается соленой водой и просушивается.

Заготовки запекаются в жаропрочных ящиках, места соединений и щели которых герметизируются глиной. Ящики устанавливаются в печь, и равномерно нагреваются до температуры 700 градусов. При более низких температурах процесс обогащения увеличивается в несколько раз.

Что же в результате?

В результате науглероживания плотность верхнего слоя металла (нелегированные сплавы) достигает до 58 HRC, а на низкоуглеродистых сплавах – до 60 HRC. В результате изделия приобретают нужную твердость, а их сердечник остается вязким. При этом стоит учитывать, что в процессе обогащения может измениться структура сплава, и это является, как упоминалось выше, главным недостатком цементации. Чтобы нивелировать данное свойство, науглероженные заготовки подвергают закалке с последующим отпуском либо нормализацией (зависит от типа стали). В процессе закалки происходит образование феррита, что приводит к измельчению зерновой структуры. Чтобы избежать поверхностных деформаций, проводят низкотемпературный отпуск сплава.

Мягкие стальные сплавы, подвергнутые науглероживанию, имеют твердую поверхность и мягкий сердечник. Это означает, что цементированная низкоуглеродистая сталь тверже, но не является хрупкой. Сердечник в значительной степени сохраняет свою пластичность и прочность, будучи защищенным твердой поверхностью, при этом он позволяет изготавливать детали даже очень сложных форм (к примеру, внутренние компоненты машин).

Усиленная поверхность показывает лучшую устойчивость к износу и усталости – металлы, прошедшие науглероживание, способны выдерживать высокие нагрузки и служат гораздо дольше.

Все, что вам нужно знать

Закалка — это процесс, который включает добавление твердой защитной оболочки к внешней стороне мягкой стали. Этот процесс позволяет металлам сложной формы обладать прочностью и ударной вязкостью, которой они иначе не смогли бы обладать.

Одной из самых сложных и распространенных форм поверхностного упрочнения является науглероживание. Это метод, который включает введение стальных изделий в атомы углерода.

Хотите узнать больше о науглероживании стали? Читать дальше! В этом руководстве есть все, что вам нужно знать.

Что такое науглероживание

Науглероживание — это процесс, который включает преобразование низкоуглеродистой стали в высокоуглеродистую сталь. Это делается путем воздействия на него атмосферы, насыщенной углеродом. Как правило, изделия науглероживаются в печах, чанах и других закрытых объектах.

При нагревании стального предмета в атмосфере с высоким содержанием углерода указанный предмет позволяет атомам углерода прикрепляться к его поверхности на молекулярном уровне. После того, как эти атомы углерода присоединятся к его поверхности, он приобретет твердость и прочность.

Науглероживание, одна из самых популярных форм поверхностного упрочнения, позволяет придать стальным изделиям различные уровни твердости. Как правило, чем выше температура и чем дольше длится процесс науглероживания, тем тверже будет науглероженный предмет.

Науглероживание стали – процессы

Существует не один доступный процесс науглероживания. На самом деле, как правило, используются четыре различных типа науглероживания. Каждый отдельный процесс имеет свои преимущества и недостатки.

Четыре процесса следующие:

Вакуумная цементация

Сначала мы обсудим процесс вакуумной цементации. В этом процессе стальные сплавы помещаются в бескислородную среду с низким давлением. Затем газ, такой как углеводород, закачивается в окружающую среду, позволяя молекулам углерода прикрепляться к указанным сплавам.

Поскольку в этом процессе отсутствует кислород, окисление стальных сплавов становится практически невозможным. Это позволяет вводить высокие температуры в содержащуюся атмосферу, что значительно ускоряет процесс науглероживания.

Этот процесс выполняется в закрытой печи. Если печь не сможет полностью изолировать кислород, она не сможет осуществить желаемый процесс.

Жидкостное науглероживание

Жидкостное науглероживание — это форма науглероживания, которая происходит в своего рода жидкостном чане. Этот чан заполнен смесью веществ, обычно включающей цианид и соль.

Когда предметы из металлических сплавов погружаются в эту смесь, они вступают в контакт с молекулами углерода. Как правило, эти молекулы углерода быстро диффундируют в изделия из сплава, что позволяет сформировать твердую оболочку всего за короткое время.

Стали, подвергнутые жидкостной цементации, обычно имеют высокое содержание углерода и низкое содержание азота.

Науглероживание науглероживанием

Науглероживанием науглероживанием называется помещение стальных изделий в печь в непосредственной близости от изделий с высоким содержанием углерода. Эти предметы с высоким содержанием углерода включают в себя все, от угольного порошка до частиц чугуна и многого другого.

После того, как вы вставите эти предметы, они будут нагреваться с использованием угарного газа. Этот газ является восстановителем углерода, заставляя углерод тянуться с поверхности углеродосодержащих предметов, которые были помещены в печь. После того, как эти молекулы углерода больше не связаны, они будут диффундировать на поверхности стальных изделий, подлежащих науглероживанию.

Это самый простой способ науглероживания. На самом деле, вы даже можете сделать это в гараже или домашней мастерской.

Проблема в том, что это ненадежно и непоследовательно. Хотя это позволяет диффузию углерода, эта диффузия обычно не происходит равномерно по всему стальному изделию.

Газовая науглероживание

Последний метод науглероживания, который мы обсудим, это газовая науглероживание. Науглероживание газом имеет сходство с науглероживанием в пакете, требуя перекачки окиси углерода. Разница в том, что это не требует присутствия углеродоемких предметов.

В этом процессе окись углерода непрерывно закачивается в закрытую среду. Эта среда нагревается до чрезвычайно высоких температур. Высокие температуры позволяют молекулам углерода диффундировать в стальные изделия, которые находятся в жестком корпусе.

Один из самых популярных процессов науглероживания в мире, при котором постоянно получается однородно науглероженная сталь. Это делает его очень полезным для целей массового науглероживания.

Преимущества науглероженной стали

Науглероженная сталь обладает целым рядом преимуществ. Ниже мы подробно рассмотрим эти преимущества.

Очень твердый внешний вид

Все просто: науглероженная сталь будет иметь очень твердый внешний вид. Это позволяет ему выдерживать большие физические травмы, не изнашиваясь преждевременно.

Хотя существуют стали с более твердой поверхностью, чем науглероженная сталь, они не такие пластичные и доступные. По сути, они не обеспечивают желаемого сочетания мягкости внутри и твердости снаружи, которое предлагает науглероженная сталь.

Мягкая внутренняя поверхность

Еще одним важным преимуществом науглероженной стали является ее мягкая внутренняя поверхность. Поскольку он имеет мягкую внутреннюю часть, им легко манипулировать, придавая ему различные формы. Это делает его особенно полезным, когда вы пытаетесь изготовить сложные металлические изделия с твердыми поверхностями (например, внутренние компоненты машины).

Некоторые ненауглероженные стальные сплавы обеспечивают естественную поверхностную твердость. Однако они не обеспечивают внутренней мягкости, необходимой для сложной формы и формы. По сути, они не обеспечивают желанной комбинации мягкости внутри и жесткости снаружи, которую обеспечивает науглероженная сталь.

Относительно недорогой

Если вы покупаете легированную сталь только из-за ее поверхностной твердости, науглероженная сталь — самый доступный вариант. Процесс науглероживания намного дешевле, чем производство некоторых стальных сплавов.

Пытаетесь производить изделия из твердой стали в массовом масштабе? Науглероживание является наиболее экономичным вариантом.

Воспользуйтесь магией науглероживания

Вам нужны науглероженные изделия? Хотите извлечь выгоду из волшебства науглероживания? Если это так, мы здесь, в Miheu, люди, которых стоит увидеть.

У нас большой опыт в науглероживании различных изделий. К таким изделиям относятся автомобильные детали (оси, валы, шестерни и т. д.), детали машин (контрножи, хомуты, фланцы и т. д.), штампованные детали и многое другое.

Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить ваши потребности в науглероживании!

Что такое науглероживание? — Определение, типы и процесс

Что такое науглероживание?

Науглероживание — это процесс цементации, при котором углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали при температуре, достаточно высокой для изменения структуры зерен стали. Это изменение позволяет стали поглощать углерод. В результате получается износостойкий слой, который делает науглероживание идеальным процессом для производства прочных и безопасных металлов.

Науглероживание — это процесс термической обработки, при котором железо или сталь поглощают углерод, в то время как металл нагревается в присутствии углеродсодержащего материала, такого как древесный уголь или монооксид углерода. Цель состоит в том, чтобы сделать металл более твердым.

В зависимости от количества времени и температуры пораженный участок может отличаться по содержанию углерода. Более длительное время науглероживания и более высокие температуры обычно увеличивают глубину диффузии углерода.

Когда железо или сталь быстро охлаждают путем закалки, более высокое содержание углерода на внешней поверхности становится твердым из-за превращения аустенита в мартенсит, в то время как сердцевина остается мягкой и вязкой в ​​виде ферритной и/или перлитной микроструктуры.

Этот производственный процесс можно охарактеризовать следующими ключевыми моментами:

• Применяется к заготовкам с низким содержанием углерода;
• Детали находятся в контакте с высокоуглеродистым газом, жидким или твердым;
• Производит твердую поверхность заготовки; Сердечники заготовки в значительной степени сохраняют свою прочность и пластичность, а
• обеспечивает глубину твердости корпуса до 0,25 дюйма (6,4 мм).

В некоторых случаях он служит средством от нежелательного обезуглероживания, которое произошло ранее в производственном процессе.

Метод науглероживания

Науглероживание стали включает термическую обработку металлической поверхности с использованием источника углерода. Науглероживание может быть использовано для увеличения поверхностной твердости низкоуглеродистой стали. Ранняя науглероживание использовала прямое нанесение древесного угля вокруг обрабатываемого образца, но современные методы используют углеродсодержащие газы или плазму.

Процесс зависит главным образом от состава окружающего газа и температуры печи, которую необходимо тщательно контролировать, поскольку тепло может также повлиять на микроструктуру остального материала. Для применений, где требуется большой контроль над составом газа, науглероживание может происходить при очень низком давлении в вакуумной камере.

Плазменная науглероживание все чаще используется для улучшения характеристик поверхности различных металлов, особенно нержавеющей стали. Процесс экологически чистый. Он также обеспечивает равномерную обработку компонентов сложной геометрии, что делает его очень гибким с точки зрения обработки компонентов.

Процесс науглероживания основан на диффузии атомов углерода в поверхностные слои металла. Поскольку металлы состоят из атомов, тесно связанных в металлическую кристаллическую решетку, атомы углерода диффундируют в кристаллическую структуру металла и либо остаются в растворе, либо реагируют с элементами основного металла с образованием карбидов.

Если углерод остается в твердом растворе, сталь подвергают термообработке для ее упрочнения. Оба этих механизма упрочняют поверхность металла, первый за счет образования перлита или мартенсита, а второй за счет образования карбидов. Оба эти материала твердые и устойчивы к истиранию.

Науглероживание в газовой среде обычно проводят при температуре от 900 до 950 °С.

При кислородно-ацетиленовой сварке науглероживающее пламя представляет собой пламя с низким содержанием кислорода, которое дает сажистое низкотемпературное пламя. Его часто используют для отжига металла, делая его более ковким и гибким в процессе сварки.

Типы науглероживания

В прошлом, в зависимости от источника углерода, существовало три типа методов науглероживания: твердое науглероживание, жидкостное науглероживание и газовое науглероживание. Соответственно используются древесный уголь, расплавленная соль и углеродсодержащие газы, такие как природный газ и пропан.

Обычно используются три типа науглероживания:

• Газовое науглероживание
• Жидкое науглероживание
• Твердое науглероживание

Все три процесса основаны на превращении аустенита в мартенсит во время закалки. Увеличение содержания углерода на поверхности должно быть достаточно высоким, чтобы образовался мартенситный слой с достаточной твердостью, обычно 700 HV, для обеспечения износостойкости поверхности.

Требуемое содержание углерода на поверхности после диффузии обычно составляет от 0,8 до 1,0% С. Эти процессы можно проводить на различных углеродистых сталях, легированных сталях и чугунах, в которых содержание углерода в массе максимально 0,4% и обычно менее 0,25%. Неправильная термическая обработка может привести к окислению или обезуглероживанию.

Хотя это относительно медленный процесс, науглероживание может использоваться как непрерывный процесс и подходит для поверхностного упрочнения в больших объемах.

1. Газовая цементация

Газовая цементация включает нагрев углеродистой стали до температуры аустенизации в присутствии богатой углеродом атмосферы. Обычно используется газ-носитель, такой как эндотермический («эндо») газ, наряду с обогащением углеводородами (природный газ или пропан).

Компонент хранится в печи, содержащей атмосферу метана или пропана с нейтральным газом-носителем, обычно смесью N2, CO, CO2, h3 и Ch5. При температуре науглероживания метан (или пропан) разлагается на поверхности детали на атомарный углерод и водород, при этом углерод диффундирует на поверхность.

Температура обычно составляет 925 °C, а время науглероживания колеблется от 2 часов для корпуса толщиной 1 мм до максимум 36 часов для корпуса глубиной 4 мм. Закалочной средой обычно является масло, но это может быть вода, солевой раствор, едкий натр или полимер.

2. Вакуумное науглероживание

Этот процесс науглероживания включает бескислородную среду низкого давления. В этом процессе используются газообразные углеводороды, такие как метан. Поскольку в окружающей среде отсутствует кислород, температуру науглероживания можно повышать, не беспокоясь об окислении. Чем выше температура, тем выше растворимость углерода и скорость диффузии, что сводит к минимуму время, необходимое для глубины слоя

3. Жидкостное цементирование

Жидкостное цементирование — это процесс, используемый для цементации стальных или железных деталей. Детали выдерживают при температуре выше Ac1 в расплавленной соли, которая вводит в металл углерод и азот или только углерод. Большинство жидких науглероживающих ванн содержат цианид, который вводит в корпус как углерод, так и азот.

Жидкости или цианиды науглероживаются путем помещения компонента в соляную ванну при температуре от 845 до 955°С. Соль обычно представляет собой смесь цианида, хлорида и карбоната и очень токсична. Соли цианидов вносят в поверхность небольшое количество азота, что дополнительно повышает ее твердость. Хотя это самый быстрый процесс науглероживания, он подходит только для небольших партий.

4. Науглероживание в твердом состоянии (науглероживание в пакете)

Науглероживание в твердом или пакетном науглероживании представляет собой процесс, при котором монооксид углерода, полученный из твердого соединения, разлагается на поверхности металла на образующиеся углерод и диоксид углерода. Контейнеры для науглероживания изготавливают из углеродистой стали, углеродистой стали с алюминиевым покрытием или железо-никель-хромовых жаропрочных сплавов.

Компоненты окружены науглероживающей средой и помещены в герметичную коробку. Средой обычно является кокс или древесный уголь, смешанный с карбонатом бария. Этот процесс на самом деле представляет собой процесс науглероживания газа, поскольку образующийся СО диссоциирует на СО2 и углерод, которые диффундируют на поверхность компонентов.

Рекламные объявления

Температура обычно составляет от 790 до 845 ° C в течение времени от 2 до 36 часов. Науглероживание с набивкой является наименее сложным процессом науглероживания и поэтому остается широко используемым методом.

Нитроцементация

Нитроцементация проводится на аналогичном сечении стали, хотя содержание углерода по массе может составлять 0,4-0,5%. Способ особенно подходит для упрочнения поверхности компонентов, требующих закаленного сердечника, таких как зубчатые колеса и валы.

Карбонитрация представляет собой модификацию газового науглероживания, при которой аммиак добавляется к метану или пропану и является источником азота.

Часто задаваемые вопросы.

Что такое науглероживание?

Науглероживание – это случай процесса закалки, при котором углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали при температуре, достаточно высокой для изменения структуры зерен стали. Это изменение позволяет стали поглощать углерод.

Что такое процесс науглероживания?

Науглероживание представляет собой термохимический процесс, при котором углерод диффундирует в поверхность низкоуглеродистой стали для увеличения содержания углерода до достаточного уровня, чтобы поверхность поддавалась термической обработке и образовывала твердый износостойкий слой. Обычно используются три типа науглероживания: газовое науглероживание.

Какие существуют три типа науглероживания?

Исторически существует три типа методов науглероживания в зависимости от источника углерода: твердое науглероживание, жидкое науглероживание и газовое науглероживание. Соответственно используются древесный уголь, расплавленная соль и углеродсодержащие газы, такие как природный газ и пропан.

Какие существуют виды науглероживания?

Типы науглероживания

• Пакетное науглероживание
• Газовое науглероживание
• Вакуумное науглероживание
• Жидкая науглероживание

Какова цель науглероживания?

Целью этого процесса является придание металлу большей твердости и управляемости. Твердость стали с низким содержанием углерода можно повысить за счет добавления углерода при определенной форме термической обработки. При успешном выполнении это может улучшить поверхностную твердость стали.

Почему науглероживание стали?

Науглероживание повышает прочность и износостойкость за счет диффузии углерода на поверхность стали, создавая оболочку, сохраняя при этом существенно меньшую твердость сердцевины. Эта обработка применяется к деталям из низкоуглеродистой стали после механической обработки, а также к подшипникам, шестерням и другим компонентам из высоколегированной стали.

Что такое науглероживание и азотирование?

Азотирование и науглероживание являются двумя наиболее распространенными методами термообработки функциональных компонентов с поверхностным упрочнением. Основное отличие состоит в том, что при азотировании атомы азота диффундируют в поверхность обрабатываемых деталей, тогда как при науглероживании используется углерод.

В чем разница между цементацией и науглероживанием?

Закалка — это процесс закалки только поверхности детали. Он также известен как науглероживание. В процессе науглероживания компонент с низким содержанием углерода помещается в печь с тщательно контролируемой углеродной атмосферой.

Какова температура науглероживания?

Печи науглероживания работают либо на газе, либо на электричестве. Температура науглероживания варьируется от 870 до 940 ºC. Газовая атмосфера для науглероживания создается из жидких или газообразных углеводородов, таких как пропан, бутан или метан.

Что такое жидкая цементация?

Науглероживание жидкостью — это процесс, который обычно используется для деталей малого и среднего размера. В солевой ванне углерод, который должен диффундировать в заготовку, поступает из расплавленной соли, которая представляет собой смесь цианида натрия (NaCN) и хлорида бария (BaCl2).

Какую сталь можно науглероживать?

Микроструктура сердцевины не изменится при этой низкотемпературной обработке. В то время как науглероживание используется в основном для низкоуглеродистых сталей и низколегированных сталей, азотирование используется для низкоуглеродистых сталей, легированных сталей, инструментальных сталей и нержавеющих сталей. Азотированные стали могут иметь превосходную износостойкость и твердость.

Какие два этапа науглероживания?

Хотя науглероживание в атмосфере состоит из нескольких этапов процесса, его можно упростить, включив в него два основных процесса: образование углерода в печи и диффузию углерода в заготовку. Первый обеспечивает атомы углерода, а второй определяет градиент концентрации углерода.

Почему BaCO3 добавляют в твердый науглероживатель?

«Процесс науглероживания часто проводится для упрочнения поверхности зубчатого колеса и кулачка или кулачка (Малау, В., 1999)». Для ускорения проникновения углерода в образец в процессе пенгарбонирования необходимо добавлять другие элементы, такие как BaCO3, NaCO3 и другие.

Какой из следующих газов используется для газовой науглероживания?

Газовое науглероживание, включая процесс карбонитрации или газового азотирования с использованием газообразного аммиака (Nh4), который производит азот, который проникает в стальной корпус и увеличивает твердость.

Какие металлы могут быть нитридами?

Алюминий, хром, молибден, титан, вольфрам и ванадий легко соединяются с азотом при высоких температурах с образованием нитридов соответствующих металлов. Низкоуглеродистые сплавы стали, содержащие эти металлы, как правило, являются хорошими кандидатами для азотирования.

В чем разница между науглероживанием и нитроцементацией?

Основное различие между науглероживанием и нитроцементацией заключается в том, что науглероживание представляет собой процесс упрочнения стальной поверхности с использованием углерода, тогда как карбонитрация представляет собой процесс упрочнения стальной поверхности с использованием углерода и азота.

Требуется ли термическая обработка после науглероживания?

Компонент может быть либо закален от температуры науглероживания, либо может быть повторно нагрет до соответствующей температуры аустенизации и подвергнут закалке. Прямая закалка менее трудоемка и дешева, но невозможна в практике пакетного науглероживания. Таким образом, науглероженные детали неизменно подвергаются повторному нагреву и закалке.

Изменяется ли размер при науглероживании?

Практически невозможно подвергнуть заготовку науглероживанию без каких-либо изменений размеров. Величина этих изменений варьируется в зависимости от типа используемого материала, процесса науглероживания, которому подвергается материал, а также исходного размера и формы заготовки.

Что такое науглероживание?

Самый ранний метод цементации, при котором компоненты упаковывались в подходящую коробку вместе с углеродсодержащими материалами, такими как древесный уголь, копыта, шкуры, животный жир и рог, и нагревались до температуры науглероживания.

К какому типу диффузии относится науглероживание?

В процессе науглероживания диффузия углерода определяет градиент концентрации углерода и профиль твердости в случае заготовки. Хотя науглероживание является сложным процессом, его можно разбить на два основных этапа: образование углерода в печи и диффузия углерода в заготовку.

Дает ли термообработка усадку металла?

Экспериментальная работа была проведена на многих материалах, чтобы показать влияние термической обработки на изменение размера. Эффекты различны для каждого класса материала. Например, 3,15-дюймовый куб из инструментальной стали Д-2 при закалке увеличился на 0,08% в одном измерении, а в двух других уменьшился.

Почему происходит закалка?

Цементация – это метод обработки материала, используемый для повышения твердости внешней поверхности металла. Поскольку процессы закалки снижают формуемость и обрабатываемость, поверхностное упрочнение обычно проводят после завершения большинства других производственных процессов.

Науглероживание | Металлургия для чайников

Что такое науглероживание?

Науглероживание — это процесс добавления углерода к поверхности. Это делается путем воздействия на деталь богатой углеродом атмосферы при повышенной температуре, что позволяет диффузии перенести атомы углерода в сталь. Эта диффузия будет работать только в том случае, если сталь имеет низкое содержание углерода, потому что диффузия работает по принципу перепада концентрации. Если, например, сталь изначально имеет высокое содержание углерода и нагревается в печи, не содержащей углерода, такой как воздух, углерод будет иметь тенденцию диффундировать из стали, что приведет к обезуглероживанию.

Науглероживание

Науглероживание – это добавление углерода к поверхности низкоуглеродистых сталей при температурах, как правило, между 850 и 950°C (1560 и 1740°F), при которых аустенит с его высокой растворимостью в углероде является стабильная кристаллическая структура. Упрочнение достигается закалкой высокоуглеродистого поверхностного слоя с образованием мартенсита, так что высокоуглеродистая мартенситная оболочка с хорошим сопротивлением износу и усталости накладывается на прочный сердечник из низкоуглеродистой стали. Науглероженные стали для цементации обычно имеют содержание основного углерода около 0,2%, при этом содержание углерода в науглероженном слое обычно контролируют на уровне от 0,8 до 1% С. Однако поверхностный углерод часто ограничивается 0,9%.%, потому что слишком высокое содержание углерода может привести к остаточному аустениту и хрупкому мартенситу.

Метод, который преодолевает обе эти основные проблемы, но при этом сохраняет желаемые характеристики простой атмосферы и допустимой рабочей температуры, представляет собой плазменное или ионное науглероживание.

Подводя итог, методы науглероживания включают:

1. Газовое науглероживание
2. Вакуумная цементация
3. Плазменная цементация
4. Науглероживание в солевых ваннах
5. Пакет науглероживания

Эти методы введения углерода за счет использования газа (атмосферно-газовая, плазменная и вакуумная науглероживание), жидкостей (науглероживание в соляной ванне) или твердых соединений (науглероживание в пакете). Все эти методы имеют ограничения и преимущества, но газовая цементация чаще всего используется для крупносерийного производства, поскольку она точно контролируется и требует минимального специального обслуживания.

Вакуумная цементация и плазменная цементация нашли применение из-за отсутствия кислорода в атмосфере печи. Соляная ванна и науглероживание в пакете все еще иногда производятся, но сегодня они не имеют большого коммерческого значения.

Науглероживание представляет собой добавление углерода к поверхности низкоуглеродистых сталей при температурах, как правило, от 850 до 950°C (от 1560 до 1740°F), при которых аустенит с его высокой растворимостью в углероде является стабильной кристаллической структурой. Упрочнение достигается закалкой высокоуглеродистого поверхностного слоя с образованием мартенсита, так что высокоуглеродистая мартенситная оболочка с хорошим сопротивлением износу и усталости накладывается на прочный сердечник из низкоуглеродистой стали.

Содержание углерода в стали определяет возможность ее непосредственного закаливания. Если содержание углерода низкое (например, менее 0,25%), то существуют альтернативные средства для увеличения содержания углерода на поверхности. В зависимости от количества времени и температуры пораженный участок может различаться по содержанию углерода. Более длительное время науглероживания и более высокие температуры приводят к большей диффузии углерода в деталь, а также к увеличению глубины диффузии углерода. Когда железо или сталь быстро охлаждают путем закалки, более высокое содержание углерода на внешней поверхности становится твердым за счет превращения аустенита в мартенсит, в то время как сердцевина остается мягкой и прочной, как ферритная и/или перлитная микроструктура. Этот производственный процесс может быть характеризуется следующими ключевыми моментами: применяется для низкоуглеродистых заготовок; заготовки находятся в контакте с высокоуглеродистым газом, жидким или твердым, он создает твердую поверхность заготовки; сердечники заготовки в значительной степени сохраняют свою прочность и пластичность, а глубина твердости корпуса составляет до 0,25 дюйма (6,4 мм).

Науглероживание стали включает термическую обработку металлической поверхности с использованием источника углерода. Ранняя науглероживание использовала прямое нанесение древесного угля на металл (первоначально называвшееся поверхностной закалкой), но в современных технологиях применяются углеродсодержащие газы или плазма (например, двуокись углерода или метан). Науглероживание представляет собой добавление углерода к поверхности низкоуглеродистых сталей при температурах обычно от 850 до 950°C (от 1560 до 1740°F), при которых аустенит с его высокой растворимостью в углероде является стабильной кристаллической структурой. Упрочнение достигается закалкой высокоуглеродистого поверхностного слоя с образованием мартенсита, так что высокоуглеродистая мартенситная оболочка с хорошим сопротивлением износу и усталости накладывается на прочный сердечник из низкоуглеродистой стали.

В самом раннем применении детали просто помещались в подходящий контейнер и покрывались толстым слоем угольного порошка (науглероживание в упаковке). При газовой цементации детали окружены углеродсодержащей атмосферой, которая может непрерывно пополняться, чтобы можно было поддерживать высокий углеродный потенциал. В целях упрощения атмосферы было изучено науглероживание в бескислородной среде при очень низком давлении (вакуумное науглероживание), которое стало жизнеспособной и важной альтернативой.

Кроме того, поскольку детали нагреваются в бескислородной среде, температура науглероживания может быть существенно повышена без риска окисления поверхности или границ зерен. Поскольку вакуумное науглероживание проводится при очень низком давлении и скорость потока науглероживающего газа в печь очень мала, углеродный потенциал газа в глубоких углублениях и глухих отверстиях быстро истощается. Если этот газ не пополнять, вероятно, возникнет большая неравномерность по глубине корпуса по поверхности детали. Если для решения этой проблемы значительно увеличить давление газа, возникает другая проблема, связанная с образованием свободного углерода или сажеобразованием. Твердость науглероженных сталей в первую очередь зависит от содержания углерода. Когда содержание углерода в стали превышает примерно 0,50%, дополнительный углерод не влияет на твердость, но повышает прокаливаемость. Углерод, превышающий 0,50%, не может быть растворен, что требует достаточно высоких температур для обеспечения твердого раствора углерод-аустенит.

Глубина слоя науглероженной стали зависит от времени науглероживания и доступного углеродного потенциала на поверхности. При длительном науглероживании для больших глубин цементации высокий углеродный потенциал приводит к высокому содержанию углерода на поверхности, что может привести к избыточному остаточному аустениту или свободным карбидам. Следовательно, высокий углеродный потенциал может подходить для короткого времени науглероживания, но не для продолжительного науглероживания.

Науглероживание газом обычно проводят при температуре в пределах 900 до 950 °С. При кислородно-ацетиленовой сварке науглероживающее пламя представляет собой пламя с низким содержанием кислорода, которое дает копоть и низкотемпературное пламя. Науглероженные стали для цементации обычно имеют содержание основного углерода около 0,2 %, при этом содержание углерода в науглероженном слое обычно контролируют на уровне от 0,8 до 1 % С. Однако поверхностный углерод часто ограничивается 0,9 % из-за слишком высокого содержания углерода. содержание может привести к остаточному аустениту и хрупкому мартенситу.

Контейнеры науглероживания пакетные обычно изготавливают из углеродистой стали с покрытием из алюминия или жаропрочного никель-хромового сплава и заделывают все отверстия шамотом. Существуют различные типы элементов или материалов, которые можно использовать для выполнения этого процесса, но в основном они состоят из материалов с высоким содержанием углерода.

Некоторые типичные отвердители включают окись углерода (CO), цианид натрия и хлорид бария или древесный уголь твердых пород. При газовой науглероживании CO выделяется пропаном или природным газом. При пакетном науглероживании окись углерода выделяется коксом или древесным углем.

Плазменная науглероживание все чаще используется в основных промышленных режимах для улучшения характеристик поверхности (таких как износостойкость и коррозионная стойкость, твердость и несущая способность, в дополнение к показателям качества) различных металлов, особенно нержавеющих сталей. Этот процесс используется, поскольку он является экологически безопасным (по сравнению с газообразным или твердым науглероживанием). Он также обеспечивает равномерную обработку компонентов сложной геометрии (плазма может проникать в отверстия и узкие зазоры), что делает его очень гибким с точки зрения обработки компонентов.

Стали, изготовленные методом крупнозернистой обработки, могут быть науглерожены, если двойная закалка обеспечивает измельчение зерна. Многие легированные стали для поверхностной закалки в настоящее время определяются на основе прокаливаемости сердцевины. Во-первых, в цементируемой стали необходимо учитывать прокаливаемость как корпуса, так и сердечника.

Взаимосвязь между температурным градиентом и градиентом углерода во время закалки науглероженной детали может привести к измеримой разнице в глубине слоя, измеренной по твердости. То есть увеличение базовой прокаливаемости может привести к увеличению доли мартенсита при заданном уровне углерода, что приведет к увеличению измеренной глубины слоя.