Технология газовой цементации

От прочности металлов и сплавов зависит удобство пользования и длительность эксплуатации инструментов, механизмов, строительных конструкций. Стоимость природных ресурсов и искусственно созданного сырья постоянно увеличивается. Внедрить на предприятии новый процесс, направленный на повышение качества и уменьшение себестоимости продукции, значит опередить конкурентов. От экспертов компании “НПО “ГКМП” узнайте о прогрессивном методе обогащения поверхностного слоя металла углеродом.

Газовая цементация — химико-термический процесс преобразования металла с целью упрочнения внешнего слоя, повышения твердости и износостойкости детали. Стали и сплавы сохраняют вязкую сердцевину, поэтому конструкции противостоят усилиям изгиба и кручения.

Нагретые ионы и молекулы газа (углерода) проникают в верхний слой металла, образуют новые соединения (Fe3C), частично продвигаются вглубь, но не доходят до сердцевины. Технологический процесс называют науглероживанием. При воздействии карбид железа концентрируется на поверхности металла, основной состав и внутренняя структура не изменяются.

Газовая цементация — промежуточная стадия термической обработки сталей и сплавов, далее следует закалка и отпуск. После завершения рабочего цикла специалист лаборатории берет образец на исследование. В большинстве случаев получают прогнозируемый результат. Если это нет так, повторяют операции (с соблюдением последовательности и регламентов).

Протекание газовой цементации

Химико-термический процесс науглероживания проходит три стадии: диссоциации, адсорбции и диффузии.

Первый этап — высокотемпературный нагрев (910-950 0C, для ускорения процесса: 1000-1050 0C). Специалисты называют температуру начала структурных преобразований точкой A3.

В любом газе всегда присутствуют нестабильные молекулы. При высоком нагреве молекулы углерода распадаются на элементарные частицы. Активный углерод взаимодействует с кислородом воздуха.

После диссоциации наступает адсорбция. При нагреве до температуры 910-950 0C поверхность металла поглощает углерод, внутренние слои сохраняют первоначальные свойства (вязкость, пластичность). Атомарный углерод проникает в верхние слои металла и «растворяется» в кристаллической решетке — образуются прочные связи.

Третья стадия — диффузия. Термообработка протекает несколько часов, концентрация вещества Fe3C на поверхности детали постепенно увеличивается (до 0,8–1,0%). Наиболее активные атомы проникают на глубину. Происходит самопроизвольное выравнивание упрочненного слоя, пока элементарные частицы не достигают равновесного состояния.

Завершение упрочнения

Поверхность металла после газовой цементации — твердый раствор, где атомы водорода входят в состав кристаллической решетки стали или сплава.

Для закрепления результата проводят закалку (850–900 °С). Цель операции — упрочнить поверхность и исправить дефекты, которые возникли при длительном высокотемпературном нагреве. После термообработки образуется твердая и хрупкая мартенситная структура закалки, металл сохраняет внутренние напряжения.

На завершающем этапе заготовки подвергают низкому отпуску (180-220 0C). Этот нагрев существенно уменьшает внутренние напряжения. При исследовании образцов в лаборатории на срезе видна мартенситная структура отпуска с равномерно распределенными и примерно одинаковыми зернами. Обработанный материал приобретает новые качества: при сохранении твердости повышает вязкость.

Основные компоненты технологии газовой цементации

Газовому науглероживанию подвергают детали из сталей с низким (менее 0,25%) и средним (2,5-10%) количеством легированных элементов, а также железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,25%.

Глубина упрочненного слоя зависит от параметров заготовки (состава, толщины и других размеров) и режима тепловой обработки (температура, время, количество нагревов). Сотрудник лаборатории отбирает опытный образец и исследует срез под микроскопом. Максимальный размер слоя равен 2,5 мм. Сравнение изображений до и после цементации показывает, что структура не изменилась.

Углеродсодержащее вещество для упрочнения поверхность материала называют карбюризатором. Кроме газовой технологии, стали и сплавы упрочняют другими методами. Применяют жидкие, твердые и пастообразные карбюризаторы. В последние годы появилась новая технология — в вакууме, которая экономит бюджет и уменьшает время нагрева до четырех с половиной часов (за счет автоматизации).

Газовая среда

Все методы объединяет общая цель — обогащение поверхностного слоя углеродом. В этой статье рассматривается химико-термический процесс газовой цементации.

Обработка металла протекает в присутствии природного (метана, бутана, пропана) или искусственного газа, который содержит водород (примерно, 0,1-0,3 %).

Во вторую группу входят продукты переработки нефти. При нагреве (сжигании) углеводородов в неконтролируемой атмосфере происходит термическое разложение. В результате реакции образуется твердый водород (другие названия: «аморфный водород», «сажа»). Недостатки вещества — оседание на поверхности металла, проникновение через дыхательную систему, ухудшение атмосферы производственного помещения.

В крупносерийном производстве массово используют газовую цементацию, чаще — с метаном концентрацией до 30%.

Науглероживание происходит на универсальных линиях термической обработки, в электропечах шахтного и муфельного типа, установках контроля и регулирования углеродного потенциала газообразного карбюризатора.

Последовательность действий

Процесс начинается с размещения заготовок в печи с помощью приспособлений. Камеру герметически закрывают и включают нагреватели. Когда температура достигает точки A3, внутрь нагнетают газовый карбюризатор.

Среднее время выдержки заготовки в камере составляет 12-14 часов. Точные значения температуры, длительности цикла и другие параметры указаны в технологической карте.

В результате многочисленных исследований известно: при температуре 920 0C образуется упрочненный слой толщиной 1,2 мм. Время нагрева составляет 14-15 часов. Если термообработка происходит при температуре 1000 0C, аналогичный результат достигают за 8 часов.

При разработке технологической карты учитывают особенности: при высоком нагреве риск коробления детали возрастает. Чем ниже скорость нагрева, тем качественнее упрочненная поверхность и равномернее структура.

В каждом конкретном случае специалист определяет приоритет: быстрый процесс или качественная деталь. При условии равномерного нагрева упрочненный слой можно увеличить до 2 мм.

После газовой цементации следует закалка: нагретую до максимальной температуры заготовку остужают до 820-850 0C. Если разница больше, повторяют высокотемпературный нагрев.

Полный цикл термической обработки — с цементацией, закалкой, холодным отжигом, повторами, — длительный процесс. В течении всего времени оборудование потребляет электроэнергию, оператору начисляют зарплату.

Включение газовой цементации в технологический цикл увеличивает себестоимость изделия. Вложения окупаются постепенно: за счет длительной эксплуатации детали, например, шестерни, экономии на ремонте зубьев и сокращения простоев механизма из-за поломки зубчатой передачи.

Плюсы и минусы технологии газовой цементации

Популярность метода перед другими видами науглероживания заключается в высокой производительности труда, простоте организации процесса, дешевом газе, прогнозируемом результате.

Для выполнения разовых работ необязательно покупать дорогостоящее оборудование: достаточно универсальной камерной печи.

При выборе метода цементации сравнивают затраты, удобство работы, экологичность и другие параметры. Газовая технология — наиболее экономичный процесс.

Если сравнивать с использованием твердого карбюризатора (древесного угля, активированного катализаторами), предприятие получает наибольший выигрыш. Перед упрочнением заготовки укладывают в емкости (ящики) из тугоплавкого материала.

Важные моменты:

• При газовой цементации потребитель экономит на содержание помещений для хранения твердого карбюризатора. Меньше работы по учету ТМЦ у бухгалтера и кладовщика.

• Не нужен подсобный персонал, который укладывает заготовки в ящики, потом добавляет твердый карбюризатор, закрывает крышки и обмазывает емкости глиной. Нет необходимости в погрузчике для доставки компонентов со склада.

• Газ легче проникает в зазоры между заготовками, чем твердое вещество. После газовой цементации получается упрочненный слой одинаковой глубины.

• Оператор не вдыхает частицы сажи, которые, несмотря на мощную вентиляцию, попадают в атмосферу цеха (как это случается при работе с углем).

• В массовом производстве применяют полностью автоматизированное оборудование для газовой цементации, например, печи непрерывного действия.

В отличие от других видов упрочнения поверхности, нет трудозатрат, связанных с организацией работы вакуумной камеры, с пастой, жидкостью или твердым составом для науглероживания.

При воздействии на металл газовой средой уменьшается количество деформированных деталей. Причина отклонения заготовки от заданной формы заключается в неравномерности нагрева.

Безопасность операции

При соблюдении технологических требований процесс не представляет опасности для персонала и окружающей среды. В современных моделях пост оператора — закрытая кабина с удобно расположенными приборами. Рабочее место находится на расстоянии от стационарного оборудования.

После термообработки повышается параметры: прочность и твердость, предел контактной выносливости, временное сопротивление изгибу и кручению обрабатываемых деталей.

К минусам относят высокую стоимость термического оборудования и эксплуатационные расходы на техническое обслуживание.

Качество деталей на выходе зависит от квалификации и добросовестности оператора. Специалист обязан четко соблюдать технический регламент: обеспечить свободный доступ к термической установке со всех сторон, продуть печь перед началом работы, проверить герметичность камеры, следить за факелом для отходящих газов.

Отклонение от требований ведет к браку, опасно для оператора, персонала на соседних участках и окружающей обстановки.

Эффективность газовой цементации

Поверхностному упрочнению подвергают разные марки сталей. По сравнению с другими материалами, заметнее качественные изменения при обработке заготовок из углеродистых и легированных сталей с низким содержанием углерода.

Например, стальная заготовка толщиной 0,1-3,0 мм, массовая доля углерода в материале составляет 0,1-0,3%. После газовой цементации науглероженный верхний слой толщиной достигает 0,8-1,2%. Концентрация углерода в средней части металла останется на прежнем уровне: 0,1-0,3%.

После закалки область применения деталей значительно расширяется. Наиболее эффективна газовая цементация для конструкций, которые испытывают сложные нагрузки:

• сопротивляются ударному воздействию:

• работают в условиях абразивного износа;

• испытывают усилиям изгиба с кручением.

Сложным нагрузкам противостоит материал с вязкой сердцевиной и прочным поверхностным слоем. Пример конструкции, которая одновременно сопротивляется изгибу и контактному износу, — зубья шестерни. Оптимальный показатель адсорбции атомарного водорода в рабочей части конструкции составляет 0,8-1,2%.

Аналогичный эффект недостижим при объемной закалке сталей с высоким содержанием углерода.

Важные особенности процесса

Для технологии науглероживания недопустима сквозная цементация. Способность сопротивляться изгибающему моменту и кручению определяется вязкостью структуры. Если отсутствует мягкая сердцевина, газовая цементация теряет большую часть преимуществ.

При расчете толщины цементируемого слоя учитывают ресурс износа. Для пар трения и других деталей, которые периодически соприкасаются поверхностями, конструктора предусматривают повышенный припуск. При контакте изделий возникает трение, постепенно слой металла уменьшается. Когда технологи рассчитывают толщину цементируемого слоя, прибавляют максимальное значение припуска.

Сложно спрогнозировать результат, когда науглероживание требуется не всем поверхностям. Чтобы решить задачу, проводят дополнительные операции. После газовой цементации следует медленное охлаждение, заготовку отправляют на механическую обработку.

Со сторон, которые не требуют упрочнения, специальным инструментом снимают науглероженный слой. После обработки конструкцию подвергают повторной закалке, следующий технологический переход — отпуск при температуре: 180-220 0C.

После завершения операции, исследуют материал на срезе. Когда получается неудовлетворительный результат, выполняют перекристаллизацию структуры. Таким способом получают зерна меньшего размера. Газовую цементацию повторяют сначала.

Компания “НПО “ГКМП” оказывает услуги разработки и изготовления промышленных вакуумных систем, испытательных стендов, высокотемпературных газонаполненных печей. Организация предлагает заказать производительное оборудование для газовой цементации по доступным ценам, полностью соответствующее российским и мировым стандартам качества.