Цементация относится к группе процессов, которые создают твердый износостойкий поверхностный слой на металлических деталях. Сердцевина металлической детали остается мягкой и прочной. Это позволяет детали противостоять износу и усталости, оставаясь при этом упругой. Цементация обычно используется на шестернях, подшипниках, кулачках и других деталях машин, которым требуется твердая поверхность. Но внутренний сердечник должен оставаться мягким и ударопрочным.
Есть несколько причин, по которым производители используют процессы поверхностного упрочнения:
Наиболее популярные процессы поверхностного упрочнения включают в себя:
Цементация заключается в диффузии углерода в поверхность детали из низкоуглеродистой стали. Обычно это делается путем нагрева стали до 1600-1700 °F в среде, богатой углеродом. Тепло позволяет углероду раствориться в стали до содержания углерода 0,8-1%. После охлаждения на поверхности образуется твердый мартенситный слой. Науглероживание обеспечивает самую глубокую глубину закалки, толщиной до 0,120 дюйма.
Азотирование термически диффундирует азот в поверхность стали. Образующиеся нитриды значительно увеличивают твердость поверхности, сохраняя при этом пластичность сердцевины. Азотирование выполняется при температуре 950-1100 °F. Глубина закалки обычно составляет 0,001-0,012 дюйма. Процесс не требует закалочной среды.
При пламенной или индукционной закалке поверхность стали быстро нагревается пламенем, лазером или индукционной катушкой. Это нагревает тонкий слой, который затем закаливается для закалки. Быстрый нагрев и закалка создают мартенситный слой без значительного упрочнения сердцевины. Глубина закаленного слоя составляет от 0,05 до 0,25 дюйма.
Нитроцементация сочетает в себе науглероживание и азотирование. Сначала сталь науглероживают при высокой температуре для введения углерода. Затем ее азотируют при более низкой температуре для диффузии дополнительного азота. Такая двойная обработка создает очень твердый слой. Глубина слоя составляет от 0,02 до 0,12 дюйма.
Ключ к закалке — это контроль того, как углерод или азот диффундируют в поверхность стали. Это достигается путем тщательного регулирования температуры, времени и химической среды. Процесс закалки состоит из нескольких этапов:
Перед закалкой стальные детали необходимо очистить от масел, оксидов и других загрязнений. Это обеспечивает надлежащую диффузию. Детали также можно предварительно нагреть для улучшения глубины и свойств закаленного слоя.
На этом этапе углерод, азот или оба диффундируют в поверхность. Детали нагреваются в средах, богатых упрочняющим элементом. Для цементации сталь нагревается в контакте с богатыми углеродом газами, жидкостями или твердыми телами. При азотировании используются аммиачные или азотные газы. Время закалки составляет от 1 до 20 часов в зависимости от желаемой глубины слоя.
Для нитроцементации и цементации сталь необходимо быстро охладить или закалить после обработки. Это приводит к мартенситному превращению, которое закаляет слой. Закалка выполняется в струях масла, воды или воздуха. Азотирование не требует закалки, поскольку нитриды сами по себе значительно укрепляют сталь.
Закаленные детали можно закалить повторным нагревом до 400-650°F и охлаждением на воздухе. Это снижает хрупкость и снимает напряжения в корпусе. Отпуск часто проводят для придания окончательной твердости и вязкости.
Цементация является одним из наиболее распространенных процессов закалки. Вот типичные шаги:
Существует три основных метода цементации: газовая, жидкостная и пакетная.
При газовой цементации детали нагреваются в печной атмосфере с углеводородными газами, такими как метан, пропан или природный газ. Газы термически разлагаются и осаждают углерод на стальной поверхности. Газовая цементация обеспечивает превосходный контроль и однородность.
Жидкостная цементация погружает детали в расплавленные соли, такие как цианид натрия. По мере нагревания деталей расплавленные соли выделяют углерод, который диффундирует в сталь. Жидкостная цементация обеспечивает большую глубину корпуса до 0,2 дюйма.
Пакетная цементация использует твердые углеродные соединения, упакованные вокруг деталей. Поскольку материал разлагается при высокой температуре, углерод поглощается стальными поверхностями. Пакеты часто изготавливаются из смесей древесного угля, кокса или сажи. Этот метод прост, но может привести к неравномерной закалке.
Вот основные этапы процесса азотирования и закалки:
Основные методы азотирования включают газовое, соляное и плазменное азотирование.
При газовом азотировании детали нагреваются в богатой азотом газовой атмосфере, обычно аммиаке, который разлагается на азот и водород. Азот реагирует на поверхности, образуя нитриды. Газовое азотирование может выполняться как пакетный процесс в больших печах.
При азотировании в соляной ванне детали погружаются в расплавленные смеси нитратов/нитритов при температуре около 1000 °F. Соли выделяют азот, который упрочняет стальной корпус. Соляные ванны позволяют точно контролировать глубину корпуса и получать равномерные результаты.
Плазменное азотирование генерирует плазменный разряд вокруг нагретых деталей в вакуумной камере, заполненной азотом и водородом. Ионизированная плазма способствует более быстрой и глубокой диффузии азота для более тонких корпусов. Плазменное азотирование не содержит загрязняющих солей.
При индукционной закалке используется электромагнитная индукция для быстрого нагрева только поверхностного слоя детали. Локальный нагрев быстро аустенизирует тонкую зону корпуса. Немедленная закалка затем закаляет этот корпус, в то время как сердцевина остается незатронутой. Вот основные шаги:
Индукционная закалка обеспечивает превосходный контроль над глубиной и рисунком закалки. Она быстрая и не влияет на свойства сердцевины. Глубина слоя варьируется от менее 1 мм до 6 мм в зависимости от интенсивности мощности и времени.
Глубина закаленного слоя зависит от используемого процесса закалки. Вот типичные диапазоны глубины слоя:
| Процесс | Глубина слоя |
|---|---|
| Цементация | 0,02–0,12 дюйма |
| Азотирование | 0,001–0,012 дюйма |
| Индукционная закалка | 0,05–0,25 дюйма |
| Огнепламенная/лазерная закалка | 0,01–0,1 дюйма |
Цементация обеспечивает самую толстую глубину слоя, до 0,12 дюйма в результате диффузии в течение нескольких часов. Азотирование дает самый мелкий слой. Индукционная и огневая закалка находятся между ними. Однако глубина слоя также зависит от параметров процесса, таких как время и температура.
Вот несколько примеров компонентов, которые обычно подвергаются поверхностной закалке:
Основная цель — оптимизация баланса твердости и прочности каждой детали. Поверхностная закалка делает это, нацеливаясь только на критический поверхностный слой, которому нужна износостойкость или усталостная прочность.
Вот некоторые из основных преимуществ процессов поверхностной закалки:
Некоторые ограничения включают в себя:
Цементация является важным производственным процессом, когда детали требуют оптимизированной твердости и вязкости. Благодаря выборочной закалке только поверхностного слоя компоненты получают превосходную износостойкость там, где это необходимо, не жертвуя ударной вязкостью. Цементация, азотирование и индукционная закалка являются наиболее популярными методами для создания твердого износостойкого корпуса поверх прочного пластичного сердечника.
Понимание этих основных процессов цементации позволяет конструкторам правильно применять их. Детали могут быть спроектированы для получения идеального баланса твердости поверхности и упругости сердцевины, необходимого для их рабочих условий. Возможности современной закалки продолжают расширяться, позволяя все более точно контролировать глубину закалки и свойства.