Цементация в твердом карбюризаторе

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

1. Введение ……………………………………………………………………………3

2. Цементация.. .……………………………………………………………………….7

4. Цементация в твердом карбюризаторе…………………………………………….10

 

 

3. Газовая цементация………………………………………………………………....15

 

6. Заключение………………………………………………………………………….16

7. Использованные литературы…………………………………………………….17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали. Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев. результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

 

• цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

 

• азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

 

• нитроцементация  или  цианирование  (насыщение  поверхностного  слоя
• одновременно углеродом и азотом);
• диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными

 

• металлами).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       2. Цементация

 

Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС. Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %). Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.

Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм). Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).

 

Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость. На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).

 

Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.

 

Цементация определяется в технике обработки металлов процесс, с помощью которого железным изделиям сообщается способность образовать поверхностный закал, т. е. твердую наружную корку, придающую железу свойства закаленной стали, при чем внутренняя масса металла сохраняет мягкость и вязкость, свойственные железу. Благодаря такой поверхностной осталёвке (цементации) изделие хорошо противостоит давящим и истирающим усилиям и в то же время чуждо хрупкости и ломкости, какими отличаются изделия, состоящие сплошь из закаленной стали. Благодаря этим своеобразным свойствам оцементованных железных частей они получили большое применение в машиностроении, именно в качестве таких машинных частей, которые должны выносить сильное трение на поверхности и в то же время подвергаться ударам и сотрясениям. Таковы, напр., цапфы (пальцы) локомотивных колес, шейки осей и валов, шарнирные валки и проч., а из пассивных машинных частей - гайки, винты, гаечные ключи и т. п. Ц. железного предмета распространяется, как уже было замечено выше, лишь на некоторый слой прилегающей к его поверхности, не проникая далеко в глубь его. Помимо этого можно ограничить цементирующий процесс лишь известными, желаемыми частями этой поверхности, причем части поверхности, прилегающие к цементованным, сохранят вполне свойственные железу мягкость и вязкость. Это имеет то удобство, что, во-первых, можно не тратить напрасно время и материал на производство (довольно-таки мешкотное) Ц. тех железных частей, которые могут служить и в естественном их виде, во-вторых - не отнимать напрасно у машинной части ее вязкости - свойства, необходимого с точки зрения прочности.

Процесс цементация состоит собственно в насыщении железа углеродом, т. е. получении сталеватого железа. Твердости собственно этим процессом сообщено быть не может; ее сообщает оцементованному предмету последующая закалка (см.).След., Ц. и закалка, образуют один нераздельный процесс. Для насыщения железа углеродом пользуются свойством его соединяться с углеродом при возвышенной температуре в прикосновении с углем, взятым в виде порошка. Для этого обыкновенно применяют древесно-угольный порошок (всего лучше из березового угля), или, еще успешнее - измельченный в порошок животный уголь (пережженная кожа, кости, рога и копыта животных). Глубина Ц., т. е. толщина слоя железа, насыщающегося углеродом, зависит от продолжительности нахождения его в соприкосновении с углем, а потому может быть регулируема по желанию. Не только нет надобности, но и опасно сообщать железной машинной части слишком глубокую Ц., а след., и слишком глубокий закал, так как этим уменьшается толщина вязкого ядра этой части, а потому увеличивается ее хрупкость. Для воспрепятствования железу цементоваться в тех частях его поверхности, которые не нуждаются в твердости, стоит лишь изолировать эти части поверхности цементуемого предмета от соприкосновения с углем и ослабить их нагревание. То и другое достигается обмазкой толстым слоем глины и обнажением их от слоя угля, покрывающего остальные части. Первое условие успешности операции Цементаций - есть изолирование цементуемых предметов от доступа кислорода воздуха; поэтому предметы эти укладываются (вперемежку с цементующим порошком) в железные ящики, которые затем герметически закупориваются и обмазываются глиной. Нагревание ящиков также лучше производить не на открытом огне, а в особой замкнутой калильной печи. Чтобы нагрев ящика происходил медленно и равномерно, полезно и боковые его стенки и дно обмазывать снаружи глиной. Если приходится нагревать ящики в открытом горне (напр. в кузнечном), то в этом случае для обеспечения ящику медленного и равномерного нагревания можно, напр., поставить его на кирпичную или железную подставку (чтобы дать возможность жару действовать и на дно ящика), а с боков оградить кирпичными стенками, образуя как бы род печи. Для равномерности хода процесса предпочитают употреблять ящики не очень большие (в больших жар не достигает центральных слоев засыпи, если же его очень усилить - перегорают слои, прилегающие к стенкам), а для предупреждения быстрой порчи ящиков изготовляют их из толстого железа (в ¼ и даже в ½ дюйма толщины). На дно ящика насыпается слой цементирующего порошка толщиной до 20 мм и слегка утрамбовывается. Иногда для экономии на самое дно насыпают порошка уже бывшего в употреблении и лишь перекрывают его свежим. На этом слое укладывают цементируемые предметы, наблюдая, чтобы они не только нигде не прикасались взаимно, но и образовали промежутки, в которых можно было бы поместить достаточные количества порошка. Поверх железных предметов насыпается несколько горстей поваренной соли, а поверх последней новый слой цементирующего порошка. Если размеры ящика и цементуемых изделий это дозволяют, укладывается второй слой изделий, а по засыпке его солью и порошком - третий и т. д. Поверх последнего слоя изделий насыпается снова соль и порошок, а поверх последнего (под самую крышку) - слой порошка, уже бывшего в употреблении; затем ящик накрывается крышкой и все швы и щели тщательно замазываются толстым слоем глины. Подобный способ укладки изделий применяется при цементаци мелких предметов, в которых притом цементуется вся их наружная поверхность. Для крупных машинных частей, притом требующих цементаци лишь на некоторых частях их поверхности, устраиваются ящики более крупных размеров, которые заполняют уже не одним животным углем, а подбавляют к последнему древесного (березового) угля. Пропорция 2/3 древесного угля на 1/3 животного считается наиболее выгодной. За недостатком животного угля довольствуются одним древесным, подбавляя к нему до 10% молотого известняка или поташа. Если требуется осталевать небольшое количество некрупных железных частей, устраивать для которых цементовальную печь и железные ящики было бы убыточно, то в качестве цементирующего вещества с успехом применяют синеродистый калий, который цементует весьма быстро, но неглубоко, почему годится лишь в тех случаях, когда цементуемой машинной части не предстоит выносить сильного трения. Работа производится при этом так, что раскаленный докрасна предмет погружается в порошок синеродистого калия и поворачивается в нем до тех пор, пока не потеряет калильного жара. Под влиянием высокой температуры синеродистый калий сначала плавится, а потом разлагается, выделяя синерод, который разлагается далее на азот и углерод. Последний и соединяется с железом. Оцементованный предмет погружается затем в холодную воду для закаливания. Если закалка окажется недостаточной, предмет снова нагревается докрасна и снова погружается в порошок синеродистого калия или натирается им, а потом калится. Если Ц. производится в ящиках и в калильной печи, то, наполнив ящики, как объяснено было выше, и обмазав их глиной, вкатывают их (на роликах) в холодную или уже разогретую предварительно печь, закрывают ее дверцы и дают сильный жар. Если печь была холодная, вся операция Ц. продолжается 24 часа; если же печь была разогрета предварительно - то 12-15 часов. Раскупорив затем печь, сняв крышки с ящиков и вынув из них оцементованные изделия (которые при этом бывают раскалены докрасна), бросают их в чан с холодной водой, где они и закаливаются. Закаленные предметы очищают от приставшего к ним угля на наждачных камнях, а затем, если требуется, шлифуют и полируют. Хорошо оцементованная и закаленная поверхность железного предмета получает такую твердость, что ее не берет напилок. Точно установленного времени для нахождения цементуемых предметов в цементовальном ящике не существует, так как оно зависит от их размеров и многих побочных обстоятельств. Кроме того, на соотношение времени продолжительности цементации и толщины получающегося сталеватого слоя влияют еще и свойства самого цементуемого железа. Поэтому для суждения о степени спелости заложенных на Ц. предметов пользуются пробными брусками из того же сорта железа, которые, будучи тщательно опилены с поверхности, закладываются в оставляемые нарочно для того отверстия в крышках цементовальных ящиков, так что нижний конец бруска погружен в цементующий порошок, а верхний торчит наружу. По истечении известного времени вынимают пробный брусок из ящика, закаливают его в воде и ломают. Толщина белого слоя около наружной поверхности излома покажет, на какую глубину проник закал, и, если она недостаточна, продолжают операцию далее. При цементации крупных предметов операцию приходится иногда продолжать в течение 48 часов и более. Иногда (именно при предметах прихотливой формы) закалку производят не тотчас по вынутии их из ящиков, а дают им предварительно остыть (не вынимая их из ящика) и затем перед закалкой нагревают их снова, причем принимают все меры предосторожности как по отношению к должной температуре нагрева, так и к способу погружения в охлаждающую ванну. Резервуар для закалки должен быть достаточно просторен, и вода в нем непрерывно сменяться. Если имеется в виду получить металл, отличающийся сплошь наивысшей твердостью, хотя бы и в ущерб его вязкости, то цементации продолжают возможно долее, и в результате получается уже не осталеванное с поверхности только железо, а вся его масса превращается в настоящую сталь. Такая сталь носит название цементной стали. Материалом для изготовления подобной стали служат железные полосы толщиной в 10-20 мм, шириной в 60-100 мм и длиной в 3-4 метра, а в качестве цементирующего прибора применяется пламенная печь, представленная на прилагаемом рисунке в поперечном разрезе.

 

 

 

3. Цементация в твердом карбюризаторе

 

Почти готовые изделия, с припуском под шлифование, укладывают в металлические ящики и пересыпают твердым карбюризатором. Используется древесный уголь с добавками углекислых солей ВаСО3, Na2CO3 в количестве 10…40 %. Закрытые ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930…950 oС.

За счет кислорода воздуха происходит неполное сгорание угля с образованием окиси углерода (СО), которая разлагается с образованием атомарного углерода по реакции:

Образующиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффундируют вглубь металла.

 

 

Недостатками данного способа являются:

 

• значительные затраты времени (для цементации на глубину 0,1 мм затрачивается 1 час);

 

• низкая производительность процесса;

 

• громоздкое оборудование;
• сложность автоматизации процесса.

 

и в течение длительного времени выдерживают при этой температуре, затем охлаждают и подвергают термической обработке.

При контакте со стальными деталями окись углерода разлагается на двуокись углерода и атомарный углерод:

Атомарный углерод адсорбируется поверхностью детали и диффундирует в сталь, растворяясь в у-фазе:

Если атомарный углерод образуется в большом количестве (больше, чем может продиффундировать в сталь), то он превращается в молекулярной и отлагается на поверхности детали в виде сажи.

 (в количестве 10—25%) При добавлении  этих солей протекают реакции:

Углекислый натрий в начале процесса цементации действует энергично в связи с тем, что в начальной стадии цементации в ящике содержится до 50% СО и выше; далее содержание окиси углерода понижается и активность углекислого натрия постепенно ослабляется.

 могут быть

в количестве

  отличающегося большой реакционной способностью. Применение в качестве активизаторов ацетатов позволяет заменить часть древесного угля более теплопроводным и имеющим меньшую усадку каменноугольным полукоксом.

добавляют для предотвращения спекания карбюризатора.

При использовании в качестве активизаторов ацетата натрия и ацетата бария рекомендуются следующие составы карбюризаторов: 1) 90—95% полукокса; 5—10% ацетата бария; 2) 78—80% полукокса, 10—15% древесного угля; 5—10% ацетата бария.

Свежеприготовленный карбюризатор действует слишком активно. Для цементации пользуются смесью, состоящей из 20—

  что является вполне достаточным. Увеличение количества активизатора уже не влияет на ускорение цементации.

Применяемый в качестве основной составной части карбюризатора древесный уголь должен быть прочным, определенной зернистости (4—10 мм в поперечнике). При меньшей зернистости древесного угля нарушается циркуляция газов в цементационных ящиках; при большей — уменьшается общая поверхность карбюризатора, что понижает активность процесса. Карбюризатор должен сохранять достаточную прочность, не дробиться и не образовывать пыли, содержать незначительное количество вредных примесей (золы, серы и др.) и давать минимальную усадку при температурах цементации. Сера (при содержании более 0,1%) диффундирует в металл и разъедает поверхность. Карбюризатор должен быть сухим (влажность не более 5—696), так как вода, испаряясь при температурах цементации, влияет на состав газовой среды и замедляет процесс.

Технология цементации. Конструкция цементационных ящиков оказывает большое влияние на продолжительность процесса цементации и качество цементуемых деталей. К цементационному ящику предъявляются следующие требования: 1) форма ящика должна приближаться к форме цементуемых деталей; 2) должен быть обеспечен наиболее быстрый прогрев деталей; 3) рабочее пространство печи должно использоваться эффективно. Для цементации применяют прямоугольные ящики (наибольшие размеры ящика 250x500x300 мм). Ящики изготовляют из стали, чугуна и жаростойких сплавов; стойкость сварных ящиков до 150—200 ч, литых (стальных и чугунных) — 250—500 ч, из жаростойких сплавов — 4000—6000 ч. С целью повышения стойкости цемента-шюнные ящики целесообразно подвергать алитированию. Упаковка деталей в цементационный ящик производится следующим образом (рис. 90).

На дно ящика насыпают слой карбюризатора 2 толщиной 30—40 мм; на него укладывают первый ряд деталей 3. Расстояние между деталями и между деталями и стеной ящика 20—25 мм. На первый ряд деталей насыпают слой карбюризатора толщиной 20— 25 мм, укладывают следующий ряд деталей 4, снова засыпают карбюризатором, и так до полного заполнения ящика. Верхний ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 20—35 мм, При упаковке деталей карбюризатор плотно утрамбовывают, Сверху укладывают лист асбеста, ящик закрывают крышкой 5 и обмазывают глиной. Через отверстия, имеющиеся в крышке, в ящик вставляют два указателя 6, служащие для контроля цементации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Газовая цементация

 

Процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами. Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки. Преимущества способа:

 

• возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

 

• сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;
• возможность полной механизации и автоматизации процесса.

 

Способ применяется в серийном и массовом производстве.

 

Структура цементованного слоя

 

Структура цементованного слоя представлена на рис. 15.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 15.1. Структура цементованного слоя

 

На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

 

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементованные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.

Цементация широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди, которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, содержащими маршалит, буру, каолин, тальк, асбестовый порошок, которые разводят в жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией (нитроцементацией) подвергнуть промывке в 3 - 5 % содовом раствор