Jak probíhá proces cementace?

Cementování je metalurgický proces, který umožňuje vytvářet díly s jedinečnými vlastnostmi. V tomto článku prozkoumáme, co je cementace, její proces a aplikace.

Zvýšení povrchové pevnosti součásti

Cementové vytvrzování je proces tepelného zpracování, který vytvrzuje povrch kovového substrátu, zatímco jádro zůstává měkčí. To umožňuje spojit nejlepší vlastnosti měkkého a tvrdého kovu v jednom dílu.
Měkký materiál snese rázové zatížení mnohem lépe než materiál tvrdý. Je také tužší, tažnější a trvanlivější, ale nemá dostatečnou odolnost proti opotřebení. Dobrá odolnost proti opotřebení je kritická, aby se zajistilo, že se materiál neopotřebí v důsledku oděru nebo tření. Zpevněním pouze vnějšího povrchu lze výrazně snížit opotřebení kovu, aniž by byly ohroženy ostatní vlastnosti.
Tenkou vrstvu tvrzeného povrchu můžeme dosáhnout různými prostředky, jako je změna krystalové struktury a/nebo přidání nových prvků na povrch. Ale bez ohledu na proces vyžaduje nauhličování téměř vždy zvýšené teploty.

Kdy se používá nauhličování kovů?

Cementování používáme, když potřebujeme zlepšit povrchovou tvrdost měkčích materiálů, jako jsou železo nebo díly z měkké oceli. Je standardní praxí provádět tento proces po všech operacích obrábění a tváření, protože to snižuje obrobitelnost součásti. Lze to ale provést i dříve ve výrobním procesu. Toto jsou některé z případů, kdy se používá postup kalení trupu.

Nízký rozpočet

Existuje významný cenový rozdíl mezi měkkou ocelí a nástrojovou ocelí, jako je rychlořezná ocel. V některých případech může být rozdíl více než 20násobný. Pokud je tedy problémem rozpočet, můžeme místo nástrojové oceli použít cementovanou měkkou ocel.
Kromě toho povrchové kalení vyžaduje méně energie a času ve srovnání s průběžným kalením, protože netvrdíte celý objem. Spolu s náklady na suroviny tak lze ušetřit zdroje při výrobě.

Jedinečné cementační vlastnosti

Kombinace měkkého vnitřního jádra s tvrdou vnější vrstvou poskytuje jedinečné vlastnosti, jak bylo diskutováno v předchozí části. Posilování těla umožňuje využít těchto vlastností. Cementové spojky jsou příkladem dílů, které poskytují nejen pevnost, ale i odolnost. S malými nesouosostmi si poradí mnohem lépe než skrz kalené díly.

Výrobky někdy vyžadují pouze tvrdý povrch. V takových případech lze místo průběžného kalení použít pouze povrchové kalení, například pro pilníky, šrouby a ozubená kola.
V pilníku odvedou veškerou práci zuby. Má tedy smysl použít měkkou ocel a povrch jen vytvrdit. To je levnější než použití nástrojové oceli nebo dokonce kalení.
Podívejme se na výhody cementace také na příkladu ozubeného kola. Ozubené kolo musí mít vysokou tvrdost zubů, aby bylo odolné proti opotřebení. Ale nepotřebuje přes kalení. Ve skutečnosti se doporučuje udržovat jádro výrobku měkké, aby se zabránilo náhlému selhání převodu při vysokém zatížení. Povrchově kalené ozubené kolo umožňuje kombinovat flexibilitu a vysokou povrchovou tvrdost ve stejném dílu.

Proces a metody nauhličování

Princip povrchového kalení je vcelku jednoduchý. Chceme, aby povrch tvořil tvrdou strukturu známou jako martenzit. Ale taková struktura se vytvoří pouze tehdy, když jsou ocelové díly vytvrzeny při vysokých teplotách a s dostatečně vysokým obsahem uhlíku v ocelové slitině.

Pokud je obsah uhlíku dostatečný, stačí díl pouze zahřát a vytvrdit. Pokud je však obsah uhlíku nízký nebo je-li požadována vysoká tvrdost, musí se na povrch materiálu přidat prvky jako uhlík a dusík. Podívejme se nyní na různé procesy používané ke zlepšení pevnosti trupu na základě výše uvedených principů.

Zahřívání a kalení

Tradičně se kalení používá k kalení řady kovů. Když chceme cementovat kov, můžeme na ocelovou část použít přímý plamen kyslíku. V některých případech se používá indukční ohřev. V každém případě povrchová teplota ocelového dílu rychle stoupá. To vede ke změně krystalové struktury z perlitické na austenitické.
Jakmile je dosaženo požadované teploty, díl se rychle ochladí, často ponořením do vody. Tím se opět změní krystalická struktura, tentokrát z austenitu na martenzit, což je zvláště tvrdá struktura.
Vzhledem k tomu, že ke změně krystalové struktury dochází pouze na povrchu, součást ztvrdne pouze na povrchu. Aby ale díl vyhovoval technologii, musí být v původním kovu dostatek karbonu. V případě nízkého obsahu uhlíku (

Nauhličování

Pokud je hladina uhlíku nižší než 0,3 %, pak je třeba do součásti přidat více uhlíku, než ji vystavíte teplu + kalení. Při nauhličování se ocelový díl zahřívá v přítomnosti externího zdroje uhlíku po stanovenou dobu. Při vysokých teplotách uhlík z uhlíkatého materiálu difunduje do kovu. Vyšší teploty a delší doby ohřevu vedou k hluboké absorpci uhlíku povrchem kovu.
Existují tři hlavní způsoby: vakové nauhličování, kapalné nauhličování a plynové nauhličování. Ve srovnání s vakovým nauhličováním jsou kapalné a plynové nauhličování lepší při rozptylování uhlíku do materiálu. Nauhličování se obvykle provádí při 930°C Jakmile nauhličení zvýší obsah uhlíku v povrchové vrstvě oceli, podrobíme ji kalení plamenem nebo indukčnímu kalení pro zvýšení tvrdosti.

Nitridace

U slitin oceli obsahující prvky, jako je hliník, chrom a molybden, lze k nauhličení použít nitridaci.
Část se zahřívá v přítomnosti plynného dusíku a disociovaného amoniaku za vzniku nitridů. Nitridy také zvyšují tvrdost materiálu.

Existují tři hlavní typy nitridačních procesů. Jedná se o nitridaci v solných lázních, plynovou nitridaci a plazmovou nitridaci.
Nitridace obvykle funguje při nižších teplotách, protože součást je zahřátá na 620 °C, čím déle je na této teplotě držena, tím hlubší je difúze a následné vytvrzení.

Kyanidace

Kyanidace je typ procesu povrchového zpevnění, při kterém se uhlík a dusík dispergují v přítomnosti soli na bázi kyanidu. Díl se nejprve zahřeje na 950 °C po stanovenou dobu. Jakmile bylo absorbováno dostatečné množství uhlíku a dusíku, díl se ochladí a následuje promytí, aby se odstranil veškerý zbývající kyanid. Tento poslední krok je obzvláště důležitý, protože kyanid je jedovatá sloučenina a musí se s ním zacházet opatrně.

Karbonitrace

Karbonitridace označuje přidání uhlíku a dusíku do tenké vrstvy povrchu oceli. Je to podobné jako nauhličování plynu, ale v prostředí amoniaku.
Přítomnost amoniaku poskytuje dusík pro proces. Teplota karbonitrace se pohybuje kolem 840°C, což je mezi teplotami nitridace a nauhličování. Materiál se poté zchladí v oleji nebo plynu.
Nižší teplota má za následek menší deformaci během kalení. Výsledný materiál může mít tvrdost až 60 HRC. Tato tvrdost je vyšší, než lze dosáhnout procesem nauhličování.
Karbonitrované díly mají také vynikající výkon při zvýšených teplotách. Zatímco díly z nauhličované oceli začínají ztrácet svou tvrdost při teplotách nad 200 °C, díly z karbonitrované oceli si svou tvrdost zachovávají mnohem déle díky stabilní nitridové směsi difundující do matrice. Většina výrobců tvrdne klikové hřídele motoru pomocí procesu nitrokarburizace.

Feritické nitrokarburizace

Feritická nitrokarburizace přidává uhlík a dusík do oceli, dokud je ještě ve feritové fázi. Ve výše uvedených procesech se při zahřátí materiálu nad kritickou teplotu mění mikrostruktura z feritické na austenitickou.
U feritického nitrokarburizace se této teplotě nepřiblížíme. Materiál vystavujeme atmosféře bohaté na uhlík a dusík, dokud je ještě ve feritové fázi.
Existují tři hlavní typy procesů: feritická nitrokarbonizace v solných lázních, plynná a iontová.

Závěr

V současné době je cementovaná ocel široce používaným procesem povrchové úpravy v průmyslu. To je užitečné zejména v aplikacích, kde jsou přítomny vibrace, rázy a nesouosost. Poskytování cementace
poskytuje v těchto aplikacích dobrou tvrdost bez zvýšení křehkosti.

Dnes v průmyslu existuje mnoho způsobů, jak zpevnit kov. Jedním z nich je cementování, které se ve výrobě i doma aktivně provozuje již řadu let. Ti, kteří pracují s ocelí a chtějí ji zpevnit, potřebují znát všechny jemnosti tohoto procesu.

Co je to?

Cementování je chemicko-tepelné zpracování určitých typů ocelových slitin. Samotný název procesu naznačuje, že jeho účelem a konečným cílem je zpevnění kovu. Jak víte, ocel používaná v průmyslu musí být pevná, odolná a nesmí být náchylná k opotřebení. Proto se provádí cementace.

Podstatou nauhličování je ohřev oceli na velmi vysoké teploty.

Vlivem zahřívání se začne uvolňovat velké množství uhlíku, který nasytí povrch zpracovávané slitiny. Celkový proces je velmi podobný nitridaci. Je důležité si uvědomit, že je zpevněn pouze povrch kovu. Uvnitř zůstává stejně viskózní jako před zpracováním.

Jaké oceli podstupují proceduru?

Cementování nelze provádět u všech druhů oceli, s tím je třeba počítat. Typicky jsou karburaci podrobeny slitiny s nízkým obsahem uhlíku (maximální hloubka – 0,2 %), některé typy legovaných ocelí (rovněž s minimálním množstvím uhlíku) a slitiny se středním obsahem uhlíku. Je vhodné je cementovat, pokud se používají k výrobě velkorozměrových výrobků, jejichž jádro si musí zachovat viskozitu.

Strojírenské slitiny, výztužné slitiny a slitiny používané pro stavební práce lze cementovat. Nejoblíbenější značky jsou 20Х, 40Х, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 15 a další. Oceli s vysokým obsahem uhlíku (více než 0,2 %) se nenauhličují.

prostředky

Existuje několik způsobů, jak správně cementovat ocel. Pojďme zjistit vlastnosti každého z nich.

V pevném karburátoru

Karburátory jsou látky obsahující uhlík. Při zahřátí jej dokážou uvolnit do vzduchu a tím nasytit povrch slitiny. Mohou to být březové nebo dubové uhlí, stejně jako rašelinový koks, ale používá se mnohem méně často. Počet karburátorů budoucího složení pro zpracování je asi 90%. Před postupem je třeba uhlí rozdrtit a poté prosít tak, aby ve složení nebyly žádné prachové částice. Poté se karburátor smíchá s účinnou látkou. Jeho úlohou je obvykle uhličitan sodný, ale někdy se používá i baryum.

Smíchat karburátor a účinnou látku můžete dvěma způsoby. V první se suché ingredience jednoduše spojí mezi sebou.

Látky se musí míchat dlouho a pečlivě, jinak se na oceli po zpracování objeví pruhy, skvrny a skvrny. Při druhé technice se účinná látka rozmíchá ve vodě a nalije se na uhlí. Jde o lepší způsob propojení komponentů, ale je třeba počítat s tím, že při vkládání uhlí do pece by vlhkost neměla přesáhnout 7 %.

Cementování výrobků se provádí pomocí speciálních nádob. Krabice musí tvarem odpovídat zpracovávaným dílům a také volně pasovat do trouby. Nádobu je navíc lepší přikrýt ohnivzdornou hlínou, která zabrání úniku plynu při zpracování. Nejlepším materiálem pro výrobu takových krabic je ocel s vysokou tepelnou odolností.

V plynovém karburátoru

Tento typ zpracování lze provádět pouze v podnicích speciálně vybavených pro tento účel. Je účinnější, protože uhlík se z plynu uvolňuje rychleji. V tomto případě mohou být plyny umělé nebo přírodní, na tom nezáleží. V zásadě se plyn získaný po rozkladu ropných produktů odebírá ke zpracování. K jeho získání se petrolej nalije do vyhřívané ocelové nádoby. Začne se vypařovat a mění se na plyn. Vytěžený plyn je později krakován.

Proces nauhličování slitin se provádí ve stacionárních nebo metodických typech pecí. V tomto případě musí být všechny fáze pod dohledem odborníka.

Bezpečnostní opatření jsou nejdůležitější podmínkou, protože práce zahrnuje plyn. Nádoby se slitinou jsou umístěny v peci, dvířka pece jsou utěsněna. Pec se zahřeje na teplotu 950 stupňů a začne se do ní přivádět plyn. Doba držení, stejně jako v předchozím případě, bude jiná. Ale v průměru, pokud zvýšíte teplotu na 1000 stupňů, požadovaná uhlíková vrstva bude hotová za 8 hodin. Proces nauhličování je ukončen vytvrzením slitiny.

Ve fluidním loži

Tato technika je také proveditelná pouze v podniku. K tomu budete potřebovat speciální pec, která se nazývá „pece s fluidním ložem“. Ocel je zde cementována, když prochází proudem horkého plynu. Zahřívání během postupu je rovnoměrné, takže jakákoli deformace součásti je prakticky vyloučena. Po zákroku je povinné temperování nebo broušení slitiny.

V roztocích elektrolytů

Tato technika je v mnoha ohledech podobná galvanizaci. Je vhodný pro díly malých rozměrů. K provedení postupu budete potřebovat vanu. Je naplněn speciálním roztokem.

Skládá se ze sody (75 %), chloridu sodného (15 %) a karbidu křemíku (10 %). Roztok musí být zahřát na teplotu 850 stupňů – to jsou průměrné hodnoty.

V tomto případě by mělo být napětí udržováno na 150 V (u některých typů dílů – až 300 V). Obrobky jsou ponořeny do již vyhřátého prostředí. Dvě hodiny stačí na to, aby vrstva uhlíku byla 0,4 mm.

V pastách

Léčba pastou se nejčastěji provádí doma. Tento postup není vhodný pro on-line výrobu, protože nelze nanést vrstvu pasty rovnoměrně centimetr po centimetru. V každém případě bude díl zpracován nerovnoměrně. Ale rychlost zpracování je mnohem vyšší.

Pasta se připravuje ze sazí (55 %), kalcinované soli (30 %), šťavelanu sodného (zbývajících 15 %).

Poté se kompozice aplikuje na součást a snaží se zajistit, aby vrstva byla co nejrovnoměrnější. Tloušťka závisí na požadované uhlíkové vrstvě. V podstatě by ji měl překročit osmkrát. Po mírném zaschnutí pasty se díly vloží do indukční pece. Ten se zahřeje na 1000 stupňů. Obrobky tam musí zůstat alespoň dvě hodiny.

Ve vakuu

Jedná se o další typ cementace prováděný ve výrobě. Tato technika je efektivní, nezabere mnoho času, je automatizovaná a její cena je nízká. Během procedury jsou díly umístěny do vychlazených pecí, uzavřeny a vzduch uvnitř je odstraněn. Poté se jednotky zahřejí na požadovanou teplotu. Díly by se měly zahřívat asi dvě hodiny, tím se jejich povrch očistí od zbytečných nečistot.

Poté se do pece zavede uhlovodíkový plyn, který by měl být dodáván v tlakovém režimu.

Plyn kvalitativně nasytí povrch zpracovávaných dílů. Potřebnou vrstvu však nelze vytvořit najednou, proto se postup opakuje přibližně třikrát. Po dokončení všech fází se pec naplní inertním plynem. Pomáhá chladit díly.

Důležité: jakýkoli typ cementování oceli zahrnuje další temperování slitiny.

technologie krok za krokem

Základní metody nauhličování oceli jsme již zopakovali. Pokud je slitina cementována doma, pak je nejlepší zvolit způsob zpracování v pevném nauhličovači. Pojďme se na to podívat krok za krokem.

1. Díly ke zpracování jsou úhledně umístěny v krabicích. Musí být umístěny tak, aby se obrobky nedotýkaly navzájem ani bočních částí nádoby.
2. Poté se položené díly posypou karburátorem tak, aby je zcela zakryl. Zapečetěno.
3. Nádoby se umístí do pece, která se zahřeje na 700 stupňů. Jedná se o tzv. průchozí vytápění. Zároveň je třeba nádobu neustále sledovat. Nemělo by být pokryto skvrnami nebo pruhy. Krbová deska musí mít také rovnoměrnou barvu.
4. Poté se zvýší ukazatele teploty. Chcete-li uvolnit uhlík, musíte je přivést alespoň na 800 stupňů, nebo ještě lépe – na 950.
5. Doba strávená na proceduře se může značně lišit. Vše závisí na účelu dílu a požadované uhlíkové vrstvě. Doba pobytu v troubě se pohybuje od 6 do 20 hodin.

Po dokončení postupu jsou produkty vystaveny přirozenému ochlazení a nejsou odstraněny z nádob. Poté se provádějí další tepelné úpravy.

Cementování doma je vynikající alternativou k průmyslovému zpracování.

Se správnými dovednostmi a minimálním vybavením může mistr posilovat části sám. Je však třeba zvážit, že je lepší zpracovávat ocel doma, pokud to plánujete neustále. Vybavení, činidla a další potřebné věci budou velmi drahé.

Vlastnosti materiálu po zpracování

Po dokončení nauhličování získá slitina oceli potřebnou tvrdost, přičemž její vnitřní struktura zůstává viskózní. Na legovaných slitinách může tvrdost dosáhnout 58 HRC a na ocelích s nízkým obsahem uhlíku – 60 HRC. Je však třeba zvážit, že struktura slitiny se může po postupu změnit, a to je jedna z hlavních nevýhod cementace.

Aby výsledná ocel nebyla hrubozrnná, musí se po popsané úpravě znovu zahřát a vytvrdit. Dále se provádějí postupy, jako je dovolená a normalizace kompozice. Slitina musí být vytvrzena při teplotě dosahující maximálně 900 stupňů. Umožňuje vám získat ferit, stejně jako perlit.

Ty přeměňují velká zrna na menší.

Legované oceli nejsou kalené. U nich se provádí pouze normalizace, čímž se získá martenzit. Po normalizaci je slitina temperována, aby se minimalizovala pravděpodobnost deformace vlivem vysokých teplot.