Jak probíhá proces cementace?

Tvrdost a pevnost povrchu kovových dílů je jednou z hlavních podmínek pro zajištění jejich vysokých technických a provozních vlastností. Pomocí cementování je možné zvýšit pevnostní parametry výrobků z konstrukčních kovů vč. ze slitin uhlíkové a legované oceli.

Co je cementování oceli a proč je potřeba?

Nauhličování oceli je druh termochemické úpravy kovu, při kterém je povrchová vrstva ocelového dílu nasycena atomárními molekulami uhlíku. K tomuto nauhličování kovu dochází difúzí, v důsledku čehož koncentrace uhlíku v povrchových vrstvách součásti dosahuje 0,8. 1,2 % a tvrdost kovu je 58-64 HRC.

Proces nauhličování je neoddělitelně spjat s jinými typy tepelného zpracování kovů, neboť po nauhličení se v oceli tvoří velká uhlíková zrna. Tohoto destruktivního jevu se můžete zbavit popouštěním, kalením a jinými druhy tepelného zpracování kovu.

Vznik takového způsobu zpracování kovů, jako je nauhličování oceli, je způsoben potřebou spojit vysokou tvrdost a odolnost povrchu součásti proti opotřebení s dostatečnou viskozitou a tažností hlavního konstrukčního materiálu v těle kovového výrobku.

Jinými slovy, pokud by byl díl zcela stejně tvrdý jako jeho povrchová vrstva, nevydržel by silné střídavé, torzní, vibrační a jiné statické a dynamické zatížení. Určitý koeficient viskozity a plasticity oceli umožňuje kompenzovat taková kritická zatížení během provozu součásti, ale zároveň má její povrch díky nauhličování dostatečné pevnostní charakteristiky, aby odolal opotřebení při tření, destruktivnímu rázovému zatížení atd.

Jak probíhá cementace kovů?

Proces nauhličování oceli sahá staletí. Bez ponětí o podstatě tohoto způsobu termochemického zpracování kovu si lidé všimli, že kovové výrobky, ať už to byly nástroje, zbraně s ostřím nebo části jednoduchých mechanismů, se staly mnohem pevnějšími poté, co byly dlouhou dobu uchovávány v peci uvnitř žhavého uhlí. .

Tento příklad primitivního nauhličování názorně ukazuje samotnou podstatu procesu termochemického zpracování ocelových dílů s sycením jejich povrchové vrstvy uhlíkem. Kov je po dlouhou dobu v přímém kontaktu s atomovými molekulami uhlíku v katalytickém prostředí, ať už je to vysoká teplota, kapalné roztoky elektrolytů, plyny obsahující uhlík nebo dokonce vakuum.

K provedení nauhličování oceli jsou nutné dvě základní podmínky:

• vysoká teplota – 850°C;
• prostředí bohaté na volný uhlík.

Rychlost procesu nauhličování povrchu součásti je poměrně nízká a v průměru je asi 0,1 mm/hod. V tomto případě je minimální tloušťka vrstvy nauhličeného tvrzeného kovu 0,8. 1,0 mm, čehož je dosaženo termochemickou úpravou minimálně za 10 hodin.

Druhy a způsoby cementování kovů

V moderním kovozpracujícím průmyslu se pro nauhličování povrchové vrstvy dílů vyrobených z nízkouhlíkových a legovaných ocelí používají čtyři hlavní metody:

• v pevném prostředí;
• kapalný;
• plyn;
• vakuum.

Kromě toho existují další méně obvyklé způsoby nauhličování oceli pomocí speciálních past a také ve fluidním loži, které lze spíše nazvat speciálním případem nauhličování plynem. Jako pracovní médium obsahující uhlík se při zpracování kovových výrobků ve fluidní vrstvě používá endoplyn s metanem, který strhává atomy uhlíku z korundu a nasycuje jím povrch kovu. Tato interakce povrchně připomíná vaření, a proto samotný proces dostal své jméno.

Zařízení pro nauhličování kovu se nazývá karburátor, jehož konstrukce a princip činnosti závisí na způsobu termochemického zpracování oceli.

Proces tuhého nauhličování

Jedná se o nejstarší způsob nauhličování oceli, založený na přímém kontaktu kovu s uhlím ve vysokoteplotním prostředí. Nauhličovačem je v tomto případě jednoduchá cementační skříň, do které se ponoří soli dřevěného uhlí a oxidu uhličitého s alkalickými kovy. V tomto případě může množství uhlí činit až 90 % celkového užitečného objemu nauhličovače a frakce uhelných částic by neměla přesáhnout 10 mm.

Kovový produkt je umístěn do takového pracovního pevného média a udržován po dobu potřebnou pro dostatečné nauhličení při teplotě asi 900 °C.

Proces nauhličování v pevném nauhličovači probíhá za utěsněných podmínek, aby se zabránilo úniku uhlíkatých plynů. Doba trvání procesu nauhličování oceli v pevném prostředí závisí na požadované tloušťce vytvrzené vrstvy kovového výrobku.

Proces cementace v kapalném prostředí

Hlavním pracovním médiem obsahujícím uhlík jsou roztavené soli (uhličitany alkalických kovů s nízkou teplotou tání). Tento způsob nauhličování oceli probíhá při teplotě +850°C.

Díl je ponořen do lázně horkých roztavených solí a udržován po relativně krátkou dobu (až 3 hodiny), protože kapalné nauhličování se vyznačuje relativně nízkou intenzitou nasycení kovu uhlíkem do hloubky pouze 0,5 mm.

Výhodou tohoto způsobu zpracování oceli je extrémně nízký koeficient deformace zpracovávaného kovového výrobku a možnost kalení bez dalších mezitypů tepelného zpracování, což výrazně snižuje cenu hotového výrobku.

Kapalné nauhličování oceli může probíhat i v roztoku elektrolytů za působení stejnosměrného elektrického proudu o napětí 150V a teplotě 300°C. Toto zpracování kovů se nazývá termoelektrochemické a jako kapalné médium obsahující uhlík se používá etylenglykol, aceton, glycerin a další látky obsahující uhlík.

Proces cementace v plynném prostředí

Nauhličování oceli plynem probíhá ve speciálních pecích při teplotě 910°C s přívodem plynů obsahujících uhlík, k jejichž výrobě dochází k krakování ropných produktů (ve většině případů petroleje a plynných uhlovodíků) nebo přeměně oxidu uhelnatého na uhlík. nejčastěji se používá oxid s uvolňováním volného atomového uhlíku:

Doba expozice dílů v pecích při nauhličování v plynném prostředí je 12-15 hodin při teplotě 910°C. Tloušťka výsledné zhutněné vrstvy není větší než 950 mm. V tomto případě lze proces nauhličování plynu urychlit zvýšením provozní teploty na 1,2 °C, čímž se zkrátí doba zpracování kovu na 1000 hodin.

Nauhličování plynem má oproti zpracování kovů v pevném prostředí mnoho výhod. Tento proces je však nákladově efektivní pouze pro hromadnou výrobu kovových výrobků, proto se používá pouze ve velkých hutních a kovodělných podnicích.

Proces vakuového nauhličování

Vakuové nauhličování oceli umožňuje dosáhnout vysoké pevnosti povrchové vrstvy kovu do hloubky 6,5 mm, což je několikanásobně větší pevnost než u jiných termochemických metod zpracování.

Podstatou procesu vakuového nauhličování oceli je střídání vakua a vstřikování plynů obsahujících uhlík. Jinými slovy, tento způsob lze také připsat zvláštním případům nauhličování v plynném prostředí. Na rozdíl od klasické technologie však tento proces využívá efektu rázové difúzní saturace povrchu dílu z nízkouhlíkové oceli atomárním uhlíkem do dostatečně velké hloubky.

Cementování kovů pastami

Tato metoda je nejvhodnější pro nauhličování částí strojů a jiných kovových výrobků vyrobených z nízkouhlíkové oceli „vlastníma rukama“. Jako médium obsahující uhlík se používá pastovitá směs uhelného prachu nebo acetylenové černě se uhličitanem sodným, sulfidem draselným, dextrinem a pojivem, kterou lze použít jako použitý motorový nebo vřetenový olej.

Při procesu tohoto způsobu nauhličování musí být pasta nanesena na kov o tloušťce 6 krát větší, než je požadovaná hloubka nauhličení oceli. Poté se díl umístí do pece a zahřívá se na 8 °C po dobu alespoň dvou hodin.

Druhy cementovaných ocelí a jejich použití

Legovaná ocel, stejně jako jakosti slitin konstrukčních ocelí s nízkým obsahem uhlíku do 0,25, jsou podrobeny cementaci. 0,3 %, například 18Х2Р4Ваб 12ХР3А, 20Х, 20 atd. Nemá smysl cementovat ocel s vysokým obsahem uhlíku, protože intenzita difúzního nauhličování bude nevýznamná.

Cementování jako prvek termochemického zpracování dílů se rozšířilo při výrobě strojů a zařízení pro nejrůznější účely – od nejjednodušších zemědělských nástrojů a pracovních částí zemědělských strojů, až po části složitých technologických linek a mechanismů, vč. obráběcí stroje, auta, námořní plavidla a letadla.

Pomocí nauhličování lze výrazně zvýšit pevnostní a výkonové charakteristiky ozubených kol, šnekových soukolí, valivých a kluzných ložisek, hřídelí, ventilů a dalších částí strojů a výrobních mechanismů. Tato termochemická úprava kovu umožňuje prodloužit životnost ocelových dílů díky prudkému snížení destruktivního vlivu třecího opotřebení a destruktivního rázového zatížení.