Цементация или поверхностное упрочнение - это процесс упрочнения поверхности металлического объекта, позволяющий металлу глубже оставаться мягким, таким образом образуя тонкий слой более твердого металла (так называемый «корпус») на поверхности. Для получения чугуна или стали с низким углерода содержанием, которое имеет бедных не прокаливаемость своей собственной, процесс индивидуальной закалки включает привнесение дополнительного углерода или азота в поверхностном слое. Цементационная закалка обычно выполняется после того, как детали придана окончательная форма, но ее также можно проводить для увеличения содержания упрочняющих элементов в стержнях, используемых при сварке по шаблону.или аналогичный процесс. Термин « закалка лица» также используется для описания этой техники при обсуждении современных доспехов .
Упрочнение желательно для металлических компонентов, которые подвергаются скользящему контакту с твердыми или абразивными материалами, поскольку закаленный металл более устойчив к поверхностному износу. Однако, поскольку закаленный металл обычно более хрупкий, чем более мягкий, сквозная закалка (то есть равномерная закалка металла по всей детали) не всегда является подходящим выбором. В таких условиях цементирование может привести к образованию компонента, который не будет разрушаться (из-за мягкого сердечника, который может поглощать напряжения без образования трещин), но также обеспечивает адекватную износостойкость на закаленной поверхности.
История [ править ]
Ранняя выплавка железа использовала блочные печи, которые производили два слоя металла: один с очень низким содержанием углерода, который перерабатывают в кованое железо , и один с внешним слоем с высоким содержанием углерода. Поскольку высокоуглеродистое железо является горячим коротким , что означает, что оно ломается и крошится при ковке , оно было бесполезным без дополнительной плавки. В результате он практически не использовался на Западе до популяризации кузницы для украшений . [1] Кованое железо, почти не содержащее углерода, было очень ковким и пластичным, но не очень твердым.
Цементная закалка включает в себя упаковку низкоуглеродистого железа в вещество с высоким содержанием углерода, а затем нагрев этой упаковки для стимулирования миграции углерода на поверхность железа. Это образует тонкий поверхностный слой из более углеродистой стали, при этом содержание углерода постепенно снижается от поверхности. Полученный продукт сочетает в себе большую часть прочности сердечника из низкоуглеродистой стали с твердостью и износостойкостью внешней высокоуглеродистой стали.
Традиционный метод нанесения угля на поверхность утюга заключался в упаковке железа в смесь измельченной кости и древесного угля или комбинацию кожи , копыт , соли и мочи., все внутри хорошо запечатанной коробки. Затем эту науглероживающую упаковку нагревают до высокой температуры, но все еще ниже точки плавления железа, и оставляют при этой температуре на некоторое время. Чем дольше упаковка выдерживается при высокой температуре, тем глубже углерод проникает в поверхность. Для разных целей желательна разная глубина закалки: острые инструменты нуждаются в глубокой закалке, чтобы позволить шлифование и переточку без обнажения мягкого сердечника, в то время как детали машин, такие как шестерни, могут нуждаться только в неглубокой закалке для повышения износостойкости.
Получающаяся в результате цементированная деталь может демонстрировать отчетливое изменение цвета поверхности, если углеродный материал представляет собой смешанные органические вещества, как описано выше. Сталь значительно темнеет и показывает пятнистый узор черного, синего и фиолетового цветов, вызванный различными соединениями, образованными из примесей в кости и древесном угле. Эта оксидная поверхность действует так же, как воронение , обеспечивая определенную степень коррозионной стойкости, а также привлекательный внешний вид. Цвет корпуса относится к этому рисунку и обычно используется в качестве декоративной отделки огнестрельного оружия .
Цементированная сталь сочетает в себе чрезвычайную твердость и чрезвычайную вязкость, что не может быть легко сопоставимо с однородными сплавами, поскольку одна твердая сталь имеет тенденцию быть хрупкой.
Химия [ править ]
Сам по себе углерод твердый при температуре цементирования и поэтому неподвижен. Перенос к поверхности стали происходил в виде газообразного монооксида углерода , образующегося при разложении науглероживающей смеси и кислорода, упакованного в герметичный контейнер. Это происходит с чистым углеродом, но слишком медленно, чтобы с ним можно было работать. Хотя для этого процесса требуется кислород, он повторно циркулирует в цикле CO, поэтому его можно проводить внутри герметичного контейнера. Уплотнение необходимо для предотвращения утечки CO или его окисления до CO 2 из- за избытка наружного воздуха.
Добавление легко разлагающегося карбонатного «активизатора», такого как карбонат бария, разлагается до BaO + CO 2, и это способствует реакции.
- C (от донора) + CO 2 <—> 2 CO
увеличение общего содержания CO и активности науглероживающего соединения. [2] Это общеизвестное заблуждение, что цементирование проводилось с помощью кости, но это заблуждение. Хотя использовалась кость, основным донором углерода были копыто и рог. Кость содержит некоторое количество карбонатов, но в основном это фосфат кальция (в виде гидроксилапатита ). Это не оказывает положительного влияния на стимулирование образования CO, а также может вносить фосфор в качестве примеси в стальной сплав.
Современное использование [ править ]
Для цементации подходят как углеродистые, так и легированные стали ; обычно используются мягкие стали с низким содержанием углерода , обычно менее 0,3% ( для получения дополнительной информации см. углеродистую сталь ). Эти мягкие стали обычно не поддаются закалке из-за низкого количества углерода, поэтому поверхность стали химически изменена для повышения прокаливаемости. Цементированная сталь образуется путем диффузии углерода ( науглероживание ), азота ( азотирование ) и / или бора ( борирование ) во внешний слой стали при высокой температуре с последующей термообработкой поверхностного слоя до требуемой твердости.
Термин цементированиевытекает из практических аспектов самого процесса науглероживания, который по сути совпадает с древним процессом. Стальная заготовка помещается в корпус, плотно набитый цементирующей пастой на основе углерода. Все вместе это известно как науглероживающий пакет. Пакет помещается в горячую печь на различное время. Время и температура определяют, насколько глубоко в поверхности распространяется отверждение. Однако глубина упрочнения в конечном итоге ограничивается неспособностью углерода глубоко проникать в твердую сталь, и типичная глубина поверхностного упрочнения при использовании этого метода составляет до 1,5 мм. В современной науглероживании также используются другие методы, например нагревание в богатой углеродом атмосфере. Мелкие изделия можно упрочнить путем многократного нагрева горелкой и закалки в среде, богатой углеродом, например, коммерческие продукты.Касенит / Казенит или «Вишнево-красный». Старые составы этих соединений содержат потенциально токсичные цианидные соединения, в то время как более новые виды, такие как Cherry Red, не содержат . [3] [4]
Процессы [ править ]
Пламенная или индукционная закалка [ править ]
Пламенная или индукционная закалка - это процессы, при которых поверхность стали очень быстро нагревается до высоких температур (путем прямого воздействия кислородно-газового пламени или индукционным нагревом ), а затем быстро охлаждается, обычно с использованием воды; это создает на поверхности «футляр» мартенсита . Для этого типа упрочнения необходимо содержание углерода 0,3–0,6 мас.%.
Типичные применения - это дужка замка, где внешний слой закален, чтобы быть стойким к напильнику, и механические зубчатые колеса, где твердые поверхности зацепления зубчатых колес необходимы для поддержания длительного срока службы, в то время как прочность требуется для сохранения прочности и устойчивости к катастрофическим отказам. . Закалка пламенем заключается в прямом падении пламени кислородно-газовой смеси на определенную площадь поверхности. Результат процесса закалки контролируется четырьмя факторами:
- Конструкция пламенной головки
- Продолжительность нагрева
- Целевая температура должна быть достигнута
- Состав обрабатываемого металла
Науглероживание [ править ]
Науглероживание - это процесс, используемый для цементации стали с содержанием углерода от 0,1 до 0,3 мас.% C. В этом процессе сталь вводится в среду, богатую углеродом, при повышенных температурах в течение определенного времени, а затем закаливается, чтобы углерод заперта в конструкции; одна из более простых процедур - многократно нагреть деталь с помощью ацетиленовой горелки с богатым горючим пламенем и погасить ее в богатой углеродом жидкости, такой как масло.
Науглероживание - это процесс, управляемый диффузией, поэтому чем дольше сталь находится в богатой углеродом среде, тем больше будет проникновение углерода и тем выше будет содержание углерода. Науглероженная часть будет иметь достаточно высокое содержание углерода, чтобы ее можно было снова закалить пламенем или индукционной закалкой.
Возможно науглероживание только части детали, либо путем защиты остальной части с помощью такого процесса, как меднение, либо путем нанесения науглероживающей среды только на часть детали.
Углерод может поступать из твердого, жидкого или газообразного источника; если он поступает из твердого источника, процесс называется науглероживанием . Упаковка деталей из низкоуглеродистой стали углеродистым материалом и нагрев в течение некоторого времени приводит к диффузии углерода во внешние слои. При нагревании в несколько часов может образоваться высокоуглеродистый слой толщиной около одного миллиметра.
Жидкая науглероживание включает помещение деталей в ванну из расплавленного углеродсодержащего материала, часто цианида металла; Науглероживание газом включает помещение деталей в печь, внутри которой содержится много метана.
Азотирование [ править ]
Азотирование нагревает стальную деталь до 482–621 ° C (900–1150 ° F) в атмосфере газообразного аммиака и диссоциированного аммиака. Время, которое деталь проводит в этой среде, определяет глубину корпуса. Твердость достигается за счет образования нитридов. Для работы этого метода должны присутствовать элементы, образующие нитриды; эти элементы включают хром , молибден и алюминий . Преимущество этого процесса заключается в том, что он вызывает небольшое искажение, поэтому деталь можно подвергнуть цементации после закалки, отпуска и механической обработки. После азотирования закалка не производится.
Цианирование [ править ]
Цианирование - это быстрый и эффективный процесс упрочнения; в основном используется для обработки низкоуглеродистых сталей. Деталь нагревают до 871–954 ° C (1600–1750 ° F) в ванне с цианидом натрия, а затем закаливают и промывают водой или маслом для удаления остатков цианида.
- 2NaCN + O 2 → 2NaCNO
- 2NaCNO + O 2 → Na 2 CO 3 + CO + N 2
- 2СО → СО 2 + С
Этот процесс дает тонкую твердую оболочку (от 0,25 до 0,75 мм, от 0,01 до 0,03 дюйма), которая тверже, чем оболочка, полученная путем науглероживания, и может быть завершена за 20-30 минут по сравнению с несколькими часами, поэтому детали имеют меньше возможностей для искажаются. Обычно он используется для небольших деталей, таких как болты, гайки, винты и маленькие шестерни. Главный недостаток цианирования состоит в том, что соли цианида ядовиты.
Карбонитрирование [ править ]
Карбонитрирование похоже на цианирование, за исключением того, что вместо цианида натрия используется газовая атмосфера, состоящая из аммиака и углеводородов. Если деталь должна быть закалена, ее нагревают до 775–885 ° C (1427–1625 ° F); в противном случае деталь нагревается до 649–788 ° C (1 200–1 450 ° F).
Ферритная нитроцементация [ править ]
Ферритная нитроцементация обеспечивает диффузию в основном азота и некоторого количества углерода в корпус детали при температуре ниже критической, примерно 650 ° C (1202 ° F). При критической температуре микроструктура заготовки не переходит в аустенитную фазу, а остается в ферритной фазе, поэтому это называется ферритной нитроцементацией.
Приложения [ править ]
Детали, которые подвергаются высокому давлению и резким ударам, по-прежнему обычно закалены. Примеры включают ударные штифты и поверхности затворов винтовки или распределительные валы двигателя . В этих случаях поверхности, требующие твердости, могут быть выборочно упрочнены, оставляя большую часть детали в ее первоначальном твердом состоянии.
В прошлом огнестрельное оружие было обычным предметом с закалкой, так как оно требовало точной обработки, лучше всего для низкоуглеродистых сплавов, но при этом требовало твердости и износостойкости, как у сплава с более высоким содержанием углерода. Многие современные реплики старого огнестрельного оружия, особенно револьверы одинарного действия , по-прежнему изготавливаются с закаленной рамой или с окраской корпуса , которая имитирует пятнистый узор, оставленный традиционной закалкой древесным углем и костями.
Другое распространенное применение цементации - это винты, особенно самосверлящие . Чтобы винты могли просверливать, резать и врезаться в другие материалы, такие как сталь, острие сверла и формирующая резьба должны быть тверже, чем материалы, в которых они просверливаются. Однако, если весь винт будет равномерно твердым, он станет очень хрупким и легко сломается. Это преодолевается за счет того, что упрочняется только поверхность, а сердцевина остается относительно более мягкой и, следовательно, менее хрупкой. Для винтов и крепежных деталей цементирование достигается простой термообработкой, состоящей из нагрева и последующей закалки.
Для предотвращения кражи замковые дужки и цепи часто закалены, чтобы противостоять порезам, но при этом остаются менее хрупкими внутри для защиты от ударов. Поскольку цементированные детали трудно поддаются механической обработке, перед закалкой им обычно придают форму.
См. Также [ править ]
- Дифференциальная закалка
- Диффузионное упрочнение
- Закалка лак закалка
- Дробеструйная обработка
- Поверхностная инженерия
- Фон Стахель унд Айзен
Ссылки [ править ]
- ^ Эйрес, Роберт (1989). «Технологические преобразования и длинные волны» (PDF) : 12. Архивировано из оригинала (PDF) 07.07.2012 . Проверено 10 апреля 2017 . Цитировать журнал требует
|journal=( помощь ) - ^ Хиггинс, Раймонд А. (1983). Часть I: Прикладная физическая металлургия . Машиностроительная металлургия (5-е изд.). Ходдер и Стоутон. п. 474. ISBN 0-340-28524-9.
- ↑ Рой Ф. Данлэп (1963). Оружейное дело . Книги Stackpole. ISBN 0-8117-0770-9.
- ^ Упрочнение гильзы в домашнем гараже Hemmings Sports & Exotic Car - 1 марта 2006 г. - Крейг Фитцджеральд.
Внешние ссылки [ править ]
- Упрочнение корпуса
- Поверхностное упрочнение сталей
- Упрочнение стали и металла
- «MIL-S-6090A, Военные спецификации: процесс для сталей, используемых для науглероживания и азотирования в самолетах» . Министерство обороны США . 7 июня 1971. Архивировано из оригинала (PDF) 29 августа 2019 года . Проверено 20 июня 2012 года .
