Цементация

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Цементацията е химико-термичен процес, при който се извършва дифузионно повърхностно насищане на нисковъглеродни и нисколегирани стомани с елемента въглерод, при коeто се образува съединението цементит, железен карбид. Процесът понякога се нарича и навъглеродяване. Целта е да се постигне повишена твърдост и износоустойчивост на цементираните детайли. Това се получава, като след цементацията детайлите се подлагат на закаляване и нискотемпературно отвръщане.

Същност:[редактиране | edit source]

Детайлите се загряват в пещи до температури, съответстващи на долната зона на аустенитната област (880 – 950 °C). Задържат се в продължение на около 1 час за пълно прогряване и още няколко часа за дифузионното насищане. Обикновено дълбочината на цементирания слой е 1 мм, но може да варира от 0,5 до 1,5 мм. Следва закаляване, при което навъглероденият аустенит се превръща в мартензит. За снемане на вътрешните напрежения детайлите се подлагат на нискотемпературно отвръщане (180 – 200 °C).

Видове:[редактиране | edit source]

Твърда цементация: Това е най-старият метод за повърхностно навъглеродяване. Детайлите се подреждат в херметически затворени стоманени кутии, запълнени от всички страни с графит, кокс или дървени въглища. Цементацията се извършва в пещи при температура 950°C. Процесът се води в бедна на кислород среда, при която се извършва дисоциация на въглеродния оксид 2CO → C + CO2. Свободният въглероден атом дифундира в кристалната решетка на желязото. Дифузионният процес е бавен, около 0,1 мм/час. Така за слой от 1 мм са необходими около 10 часа.

Течна цементация: Детайлите се потапят във вани с разтопени соли, съдържащи циан. Постига се едновременно насищане с въглерод и азот от циановия анион [:C≡N:]. Използван в миналото, днес методът е отхвърлен поради своята токсичност.

Газова цементация: Днес най-използваният метод. Прилага се както в камерни, така и в шахтови пещи с нагрят въздух или друг газ, наситен с въглеводороди. Обикновено това е технически пропан-бутан, но може да се използва метан или ацетилен. Цементацията се извършва при температури от 900 до 920°C и процесът е двойно по-кратък в сравнение с твърдата цементация. Съществува тенденция за повишаване на температурата за съкращаване на времето. Прекомерното повишаване на температурата обаче води до нарастване размера на зърното (неблагоприятен фактор, който се отстранява с двойно закаляване). Усъвършенствана разновидност е технологията за цементация в контролируеми атмосфери, при която в газовата среда (ендотермичен газ) се поддържа такова количество въглерод, колкото искаме да получим в навъглеродената стомана (например 0,8 %). Допълнително предимство е възможността за пълно механизиране и автоматизиране на процеса.

Механизъм на процеса и фазови превръщания:[редактиране | edit source]

Нисковъглеродната стомана (до 0,3 % въглерод) при стайна температура представлява α-желязо с обемно-центрирана кристална решетка (ОЦК), която разтваря въглерод в минимални количества. За да разтвори повече въглерод, трябва да нагреем над температурата на фазово превръщане, когато α-Fe (ферит) се превръща в γ-Fe (аустенит) със стенно-центрирана кристална решетка (СЦК). Критичната температура на фазово превръщане от ОЦК в СЦК за чистото желязо е 911°C, но намалява с увеличаване на съдържанието на въглерод и пада до 727°C за евтектоидните стомани (с 0,8 % въглерод) и на Желязо-въглеродната диаграма се отбелязва с линията GS. За разглежданите нисковъглеродни стомани (0,1 – 0,3 % С), които се подлагат на цементация, тези температури на фазов преход са в диапазона 890 – 870°C. Наличието на легиращи елементи като хром, никел, манган разширяват аустенитната област, т.е. понижават критичната температура на фазово превръщане A3.

Намирайки се в аустенитната област, γ-желязото поема въглеродни атоми, като образува твърд разтвор на внедряване, т.е въглеродът не измества атомите на желязото от техните места, а се внедрява в празните пространства на стенно-центрираната кристална решетка.

При рязкото охлаждане (закаляване) на γ-желязото отново се превръща в α-желязо, но с много по-високо съдържание на въглерод. Тази нова структура носи името мартензит и представлява силно преохладен и преситен с въглерод твърд разтвор в α-желязо с ОЦК.

Мартензитът има характерна иглеста структура с висока твърдост.

Цементираните детайли имат висока повърхностна твърдост, докато сърцевината остава жилава.

Промени в свойствата на материалите[редактиране | edit source]

Характеристики на материалите Ефекти от цементацията
Механични
  • Увеличена повърхностна твърдост
  • Увеличена износоустойчивост
  • Увеличена контактна якост
  • Увеличена якост на опън
Химични
  • Увеличено съдържание на въглерод в повърхността

Приложение:[редактиране | edit source]

На цементация се подлагат много видове машиностроителни детайли като: оси и валове, зъбни колела, пиньони, ролки и други, които работят в условия на повишено триене.