Цементация металла в домашних условиях

Цемента́ция ста́ли — поверхностное диффузионное насыщение стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0,25 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

  • в твёрдом карбюризаторе
  • в газовом карбюризаторе
  • в кипящем слое
  • в растворах электролитов
  • в пастах

Содержание

Цементация в твёрдом карбюризаторе [ править | править код ]

Цементация металла в домашних условиях

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5—10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. Этот процесс известен по крайней мере с XII века [1] .

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 900—950 °С, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

При «ускоренном» режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза, и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придётся убирать многократной нормализацией металла.

Цементация в газовом карбюризаторе [ править | править код ]

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Цементация в кипящем слое [ править | править код ]

Процесс цементации в кипящем слое проходит в атмосфере эндогаза с добавкой метана. Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, в которой за счёт проходящего потока газа через слои мелких (0,05-0,20 мм) частиц (чаще корунда) создаётся их интенсивное перемешивание, что внешне напоминает кипящую жидкость. Частицы корунда располагаются на газораспределительной решётке печи. При определённой скорости прохождения восходящего потока газа (выше критической скорости) частицы становятся подвижными, и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой). В этом состоянии сцепление между частицами нарушено, они становятся подвижными и опираются не на решётку, а на поток газа. Достоинствами процесса цементации в кипящем слое являются: сокращение длительности процесса вследствие большой скорости нагрева и высокого коэффициента массоотдачи углерода; возможность регулирования углеродного потенциала атмосферы в рабочей зоне печи; уменьшение деформации и коробления обрабатываемых деталей за счёт равномерного распределения температуры по всему объёму печи. Процесс цементации в кипящем слое может быть использован на заводах мелкосерийного и единичного производства.

Цементация в растворах электролитов [ править | править код ]

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов — один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450—1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит, кроме электропроводящего компонента, вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).

Читать также:  Как распаять vga кабель

Цементация в пастах [ править | править код ]

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6—8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910—1050 °С.

Определенное воздействие на сталь позволяет изменить ее основные эксплуатационные свойства. Чаще всего проводится химико-термическое воздействие, которое называют цементацией стали. Она предусматривает как нагрев детали для перестроения его атомной решетки, так и внесение требуемых химических элементов. Цементация стали в домашних условиях графитом или другой средой еще несколько лет назад практически не проводилась, но сегодня это возможно. Рассмотрим особенности данного процесса подробнее.

Цементация металла в домашних условиях

Общие сведения о процессе цементации стали

Для того чтобы проводить подобную обработку металла в домашних условиях следует рассмотреть особенности термического воздействия на сталь подробнее.

Среди особенностей цементации выделим следующие моменты:

  1. Цементирование предусматривает нагрев изделий в жидкой, твердой или газовой среде, за счет чего изменяют эксплуатационные свойства поверхностного слоя.
  2. За счет проведения данной процедуры концентрация углерода повышается, что обеспечивает увеличение прочности и износостойкости стали.
  3. Специалисты рекомендуют цементировать низкоуглеродистые стали, которые имеют показатель концентрации углерода примерно 0,2%. Примером можно назвать лезвие ножа, которое изготавливают из стали невысокой стоимости.
  4. Нагрев детали может проводится до самых различных температур. Цементация металла в домашних условиях проходить при температуре около 500 градусов Цельсия, в цехах, оборудованных специальным оборудованием, этот показатель может достигать значения 1200 градусов Цельсия и выше. Отметим, что температура нагрева выбирается в соответствии с показателем концентрации углерода и других примесей.
  5. Рассматриваемый термический процесс изменяется не только химический состав стали, но и его атомную решетку и фазовый состав. По сути, поверхность получает те же характеристики, что и при закалке, но есть возможность их контролировать в узком диапазоне и избежать появления различных дефектов.
  6. Углерод проникает в структуру стали очень медленно. Поэтому, к примеру, цементация ножа в домашних условиях проходить со скоростью 0,1 миллиметра за 60 минут. Для того чтобы лезвие ножа выдерживало механическое воздействие придется провести упрочнение слоя толщиной около 0,8 миллиметра. Этот момент определяет, что термообработка ножа или цементация вала в домашних условиях займет не менее 8 часов, на протяжении которых нужно выдерживать требуемую температуру.

Цементация металла в домашних условиях

Цементация нержавеющей или другой стали более сложный процесс, в сравнении с закалкой, но позволяет достигнуть более высоких эксплуатационных качеств.

Классификация среды, в которой проходит цементация стали

Науглероживание ножа или другого изделия может проходить в следующих средах:

  1. Твердой.
  2. Газовой.
  3. В виде пасты.
  4. Растворе электролита.
  5. Кипящем слое.

Цементация металла в домашних условиях графитом проводится чаще всего. Наибольшее распространение получила твердая среда по причине того, что не нужно обеспечивать высокую герметичность печи.

Газ применяется преимущественно в промышленном производстве, так как позволяет достигнуть требуемых результатов за минимальный период.

Процесс цементации стали своими руками

При наладке процесса химико-термической обработки в домашних условиях выбирают метод цементации в твердой среде. Это связано с существенным упрощение задачи по оборудованию помещения. Как правило, твердый карбюризатор делается при использовании смеси бария или кальция с древесным углем, а также углекислого натрия. Соль измельчается до состояния порошка, после чего пропускается через сито.

Цементация металла в домашних условиях

Цементация стали в твердом карбюризаторе

Рекомендации по созданию твердой смеси следующие:

  1. Первый метод заключается в использовании соли и угля, которые тщательно перемешиваются. Если использовать не однородную смесь, то есть вероятность образования пятен с низкой концентрацией углерода.
  2. Второй метод предусматривает применение древесного угля, которые поливается сверху солью, растворенной в воде. После этого уголь сушится до получения смеси с показателем влажности около 7%.

Для ножа и других изделий больше всего подходит второй метод получения карбюризатора, так как он позволяет получить равномерную смесь. Цементация стали в домашних условиях графитом также предусматривает создание смеси при применении нескольких технологий.

Цементация проводится в специальных ящиках, которые наполнены подготовленным карбюризаторов. Конструкция должна быть герметичной, для чего проводится заделывание щелей глиной. Достигать высокой герметичности рекомендуется по причине того, что при нагревании карбюризатора выделяются газы, которые не должны попасть в окружающую среду. Сам ящик следует изготавливать из жаропрочной стали, которая выдержит воздействие высокой температуры.

Читать также:  Клей из пистолета что можно клеить

Процесс по проведению цементации стали в ящике в домашних условиях имеет следующие особенности:

  1. Деталь укладывается в ящик со смесью. Толщина слоя твердого карбюризатора выбирается в зависимости от размеров заготовки.
  2. Устанавливается печь.
  3. Начальный прогрев печи проводится до температуры 700 градусов Цельсия. Данный нагрев называют сквозным. Однородность цвета стали, из которого изготавливается ящик, говорит о возможности перехода к следующему этапу.
  4. Следующий шаг заключается в нагреве среды до требуемой температуры. Важно обеспечить равномерный нагрев поверхности деталей сложной формы, так как могут возникнуть существенные проблемы при неравномерном перестроении атомной структуры.

Цементация металла в домашних условиях

Цементация стали в ящике в домашних условиях

Сегодня есть возможность провести подобную процедуру и в домашних условиях, но возникают трудности с достижением требуемой температуры.

Отсутствие необходимого оборудования приводит к существенному снижению качества получаемых изделий, а также увеличения времени выдержки.

Применение газа

В массовом производстве используется газовая среда. Проводить насыщение поверхности углеродом можно только при использовании герметичной печи. Наиболее распространенным составом газовой среды можно назвать вещества, получаемые при разложении нефтепродуктов.

Цементация металла в домашних условиях

Газовая цементация стали

Процедура имеет следующие особенности:

  1. Следует использовать конвейерные печи непрерывного действия с повышенной изоляция рабочей среды. Они очень редко устанавливаются в домашних условиях по причине высокой стоимости.
  2. В печь помещают заготовки, после чего проводится нагрев среды до требуемой температуры.
  3. После нагрева печи до требуемой температуры подается газ.

Преимуществ у подобной технологии довольно много:

  1. Нет необходимости в длительной подготовке газовой среды.
  2. Процесс предусматривает малую выдержку, что снижает затраты на поддержание температуры.
  3. Оборудование компактное, не занимает много места.

Однако есть существенный недостаток, который заключается в отсутствии возможности установки оборудования и налаживания процесса в домашних условиях. Рентабельность цементации в домашних условиях при установке подобного оборудования обеспечивается только при существенном увеличении обрабатываемых партий.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Цементация металла в домашних условияхСуществует множество подходов к обработке конструкций из металла. Одним из них является цементация стали — химикотермический процесс насыщения металла свободным углеродом для улучшения его физических свойств, прочности поверхности и пластичности сердцевины.

Детали и механизмы, работающие в условиях повышенного трения и вибрации, испытывающие механические удары, в первую очередь подлежат подобной термообработке. Перед проведением работы необходимо знать, какие стали подвергаются цементации и в чем заключается основная специфика этой технологии обработки металлов.

Особенности цементирования стали

Следует отметить, что технологический процесс цементации стали — это одна из важнейших операций современной металлургии.​ Цементация, как способ термообработки, имеет ряд своих определенных особенностей:

  • Цементация металла в домашних условияхПри организации процесса цементации необходимо придерживаться временных и температурных интервалов. Оптимальная плотность атомарного углерода достигается в условиях температурного режима от 850 до 950 °C.
  • Особенностью диффузного насыщения является относительно небольшая скорость процесса, поглощение поверхностью металлов атома углерода происходит в режиме 0,1 мм/час (показатель изменяется в зависимости от температуры и среды термообработки). Поскольку минимальная толщина слоя поверхности 0,8 мм, полезные качества деталь приобретает после 8 часов цементации.
  • Состав легированных (инструментальных) и низкоуглеродистых сталей имеет ограниченную долю углерода 0,2−0,25%. Способность поглощать дополнительные атомы газа позволяет эффективно использовать метод цементации при термообработке этих видов стали. Приемлема обработка машиностроительных, строительных и арматурных видов стали марок 20х, 40х. Углеродистые стали методом цементации не обрабатываются.
  • Закалка методом цементации осуществляется в присутствии твердого и газового карбюризатора (вещества, способного отдавать атомы углерода). Также насыщение поверхности происходит в кипящей среде, пасте, растворах, содержащих электролит.

Способы химикотермической обработки

Производственные циклы металлургической промышленности, как правило, включают цементацию с помощью газовых и твёрдых карбюризаторов.

При первом способе изделие обработки упаковывают в контейнер, наполненный веществом науглероживания (карбюризатором). Второй случай предусматривает помещение детали в герметичную печную камеру, предварительно создав в ней определенную атмосферу.

Процесс в твердой среде карбюризатора

Цементация металла в домашних условияхЦементация с использованием твердой среды карбюризатора — при таком подходе используют элементы органики (кости, древесину и так далее) и неорганики (кокса) в комплексе с разнообразными активирующими веществами. Насыщение углеродом будет происходить одновременно с реакцией окисления изотопа. Применение активаторов катализирует процесс поглощения атома углерода металлической поверхностью. Метод целесообразен для получения большой глубины проникновения частиц в металл. Он оправдывает себя при эксклюзивном изготовлении стальных изделий, поскольку является довольно трудоемким и требует затрат времени и энергии.

Читать также:  Лазерная указка с уровнем

Газообразная среда термообработки

Процесс насыщения углеродом, происходящий под воздействием обогащенного природного или инертного (азот) газа, широко применяется в масштабном производственном цикле. Выбор газообразной среды зависит от индивидуальных особенностей термообработки. При этом цементируемые стали на основе газов имеют небольшой процент алифатических предельных атомов углеводорода, пропана или алканов. Этот подход к обработке метала несет немалые денежные затраты и рентабелен только при массовости обработки.

Аналогичный способ применяют при термическом производстве, в раскаленную роторную печь вводят органические высокомолекулярные смеси скипидара, этилового спирта и так далее, которые распадаются и под влиянием никелевых катализаторов способствуют образованию свободных атомов углерода.

Жидкостная цементация

Цементация металла в домашних условияхДля осуществления химической реакции жидкой цементации используют цианидные и бесцианидные ванны. Цианидные ванны классифицируют, как небезопасные носители не только для экологии, но и для человека. Поэтому при работе в таких условиях необходимо тщательно придерживаться предписанных мер безопасности во избежание нежелательных последствий.

Метод с использованием бесцианидной ванны наносит загрязнения окружающей среды, имеющие необратимые последствия. Способы с использованием жидких карбюризаторов если и применяют, то в случае получения небольшой глубины науглероживания поверхности.

Цементация стали в домашних условиях

При организации химикотермической обработки стали в условиях дома выбирают метод цементации с твердым карбюризатором. Связано это с относительной простотой его реализации.

Состав и изготовление карбюризатора

Как правило, в роли твердого карбюризатора выступает барий или кальций, смешанный с древесным углем при добавлении углекислого натрия. В сущности это порошкообразная соль, максимально измельченная с помощью хозяйственного сита.

От степени однородности перемешанной соли и угля зависит равномерное распределение углерода, при смешивании существует вероятность образования областей в виде пятен с низким содержанием изотопа. Поэтому эффектней примененять древесный уголь, политый раствором на основе воды и соли. Карбюризатор сушат до получения среды с 7% показателем влажности.

Организация процесса

Цементация металла в домашних условияхИспользуя металлический ящик, заготовку помещают в приготовленную угольною смесь, при этом выбирают толщину слоя с учетом габаритов обрабатываемой поверхности детали. Применяют глину, назначение которой — термостойкий герметик.

Устанавливают и прогревают печь до температуры 700 градусов по Цельсию. Степень начального, сквозного прогрева, определяется однородностью цвета металлического ящика и свидетельствует о возможности дальнейшего продолжения обработки.

На завершающем этапе, включающем нагревание среды цементации до достижения рабочей температуры около 950 градусов, немаловажно добиться равномерности прогрева поверхности обрабатываемых заготовок, иначе могут присутствовать дефекты, как следствие нераспределенного перестроения структуры атомов.

На сегодняшний день существуют все условия для проведения подобной процедуры в быту, преимуществом которой являются простота и доступность, трудность составляет лишь достижение требуемых температурных режимов. Основной недостаток науглероживания стали в домашних условиях заключается в невозможности наладки оборудования для реализации масштабной обработки металла. По этой причине показатель рентабельности такого процесса довольно низкий.

Менее распространенные способы

При химикотермической обработке сталей с низким содержанием углерода допускается применение альтернативных условий науглероживания их поверхности. Цементация стали 20, 15 и низкоуглеродистых легированных видов (20Х, 20ХГНР, 20Х2Н4А, 20 Г, 18Х2Н4ВА, 12ХНЗА) возможна с помощью других карбюризаторов:

  • Раствор электролита. Способ обработки основывается на анодном эффекте, который позволяет в растворах многокомпонентных электролитов, обогащать углеродом поверхности малогабаритных деталей. Рабочие параметры процесса — напряжение 150−300 В, температурный режим от 450 до 1050 градусов Цельсия. В раствор электролита добавляют вещества с содержанием углерода: сахароза, глицерин, ацетон.
  • Кипящий слой. Слой имеет вид парящего потока метана и эндогаза, который проходит через корунд мелкой фракции (0,05−0,2 мм), находящийся на газораспределительной решетке промышленной печи.
  • Пасты. Науглеродить поверхность металла с помощью этого карбюризатора можно при нанесении слоя пасты (желтая соль, сажа, древесная пыль), дальнейшем просушивании и нагревом. Рабочая температура 910−1050 градусов достигается силой тока промышленной либо высокой частоты.

После процесса цементации металл подвергают дополнительным обработкам, таким как отпуск или шлифование поверхности.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *