≡× МЕНЮ

• Ремонт
• Ремонт 
• Дизайн интерьера
• Обо всём
• О сантехнике

Особенности цементации металлов. Химико-термическая обработка стали. Науглероживание стали в домашних условиях Науглероживание стали графитом в домашних условиях

В основе процесса цементации заложен принцип химической и термической обработки металла . Вся суть процедуры в насыщении поверхности стали необходимым количеством углерода при определенных температурных условиях.

Несколько лет назад эту процедуру в домашних условиях было практически невозможно реализовать. Сегодня это возможно с использованием среды графита или их аналогов. Главное - это желание и некоторые знания .

Общая информация о процессе

В первую очередь необходимо понимать основы термической обработки стали.

К особенностям цементации металла относят следующие факторы:

1. Благодаря процедуре цементируемые стали становятся прочнее, что повышает износостойкость и прочность материала;
2. Свойства эксплуатации металла изменяются за счет нагрева изделий в жидкости, газовой или твердой среде, что улучшает ее характеристики;
3. Нагревание деталей можно до разных температур, нет ограниченной константы и точных рекомендаций. В домашних условиях процесс цементации проходит при температуре 500 градусов по Цельсию. В промышленных условиях с использованием профессионального оборудования температура нагрева в печи достигает более 1300 градусов по Цельсию. Следует знать, что температуру выбирают, учитывая концентрацию примесей и углерода.
4. Профессионалы рекомендуют в домашних условиях цементировать низкоуглеродистые виды стали (приблизительно 0,2%). Например, лезвие от недорогого кухонного ножа, изготовленного из стали или небольшие детали.
5. В структуру стали углерод проникает довольно медленно. Поэтому цементация лезвия ножа в условиях домашней процедуры происходит со скоростью не более 0,1 мл в час. Чтобы это же лезвие выдерживало более сильные нагрузки, нужно усиливать слой толщиной до 0,8 мл в час. Еще важно понимать, что цементация ножа или небольшого вала в условиях домашнего цеха займет минимум восемь часов . При этом следует удерживать определенную температуру в печи, чтобы не нарушить температурный режим.
6. В процессе цементации изменяется не только свойство металла, но и его фазовый состав и атомная решетка. В целом поверхность получает такие же характеристики, как и при закалке, но при этом существует возможность контроля в узком диапазоне температур, чтобы избежать различных дефектов материала.

Осуществить цементацию нержавеющий стали немного сложнее , но в то же время это качественно улучшит характеристики этого вида металла.

В какой среде возможна цементация стали

Процесс закалки проходит в различных условиях среды:

• в твердой;
• в газообразной;
• в растворе электролита;
• в виде специальной пасты;
• в кипящем слое.

Чаще всего в условиях домашнего цеха проводится цементация стали графитом . Это сильно упрощает процесс, так как не нужно дополнительно еще заботиться о сильной герметичности печи.

В промышленном производстве чаще всего используют газ, так как этот способ сокращает время, затраченное на закалку.

Разновидности металла, который можно обрабатывать

Выделяют три основные группы металла, который используется для закалки:

1. Сталь с неупрочняемой сердцевиной. В эту группу входят следующие марки стали, пригодной для цементирования - 20, 15 и 10. Эти детали имеют небольшой размер, используются для эксплуатации в бытовых условиях. Во время закалки происходит трансформация аустенита в феррито-перлитную смесь.
2. Сталь со слабо упрочняемой сердцевиной. В эту группу вошли металлы таких марок, как 20Х, 15Х (хромистые низколегированные стали). В этом случае проводят дополнительную процедуру лигирования с помощью небольших доз ванадия. Это обеспечивает получение мелкого зерна, что приводит к получению более вязкого и пластичного металла.
3. Сталь с сильно упрочняемой сердцевиной. Этот вид металла используют для изготовления деталей со сложной конфигурацией или большим сечением, которые выдерживают различные ударные нагрузки, подвергаются воздействию переменного тока. В процессе закалки вводится никель или при его дефиците используют марганец, при этом для дробления зерна добавляют малые дозы титана или ванадия.

В целом процесс цементации стали необходим для улучшения износостойкости и прочности деталей.

Чаще всего цементации подвергаются валы, оси, лезвия ножей, детали подшипников и зубчатые колеса.

Как происходит цементация стали в твердой среде на предприятии и в условиях домашнего цеха?

Смесь для твердой цементации готовится из бария, кальция с древесным углем и углекислого натрия. Уголь лучше брать из дуба или березы и разделить его небольшие фракции, не более десяти миллиметров. Чтобы удалить лишнюю пыль, уголь рекомендуют просеять . Соли тоже измельчают до состояния порошка и пропускают через сито.

Существует две методики для приготовления смеси:

1. Уголь из дерева поливают солью, которую предварительно растворяют в воде. Получившуюся смесь высушивают, ее влажность должна быть не более 7%.
2. Сухой уголь и соль тщательно перемешивают, чтобы исключить возможность появления пятен уже в процессе химической и термической обработки.

При этом, первая методика считается более качественной. Так как она гарантирует, что смесь выйдет равномерной, а результат без пятен и разводов. Готовую смесь еще называют карбюризатором .

Сам процесс твердой цементации проходит в специальных ящиках , где насыпана смесь в нужном количестве. Идеально, если ящики соответствуют размеру и форме изделия, которое обрабатывают. Так как в этом случае снижаются затраты времени на прогрев тары, а качество слоя цементации улучшается. Для избежания утечки газа щели замазывают специальной огнеупорной глиной и накрывают все плотно прилегающей крышкой.

Следует обратить внимание, что изготавливать тару, идеально подходящую, экономически выгодно, если речь идет о конвейерной процедуре. Если же нужно одну или две детали закалить, то лучше выбрать тару универсальной формы - квадратную, круглую или прямоугольную.

Ящики выбирают из малоуглеродистой или жаростойкой стали.

Сам процесс цементации в твердой смеси проходит следующим образом:

• детали, которые необходимо закалить, равномерно укладываются в ящики, наполненные твердым карбюризатором;
• печь разогревают до 900−1000 градусов и подают в нее тару с изделиями;
• прогрев ящиков проходит при температуре от 500 до 700 градусов. Этот прогрев называют сквозным. Сигналом, что печь накалилась до нужной температуры служит однородный цвет подовой плиты, на ней больше нет темных участков под ящиками;
• температуру поднимают до 900 или 1000 градусов по Цельсию.

Именно при таком температурном режиме происходят диффузные изменения в структуре деталей на уровне атомов.

В домашних условиях достаточно сложно нагреть печь до нужной температуры и выдержать весь температурный режим от начала и до конца. При этом все возможно . Следует помнить, что эффективность домашней цементации намного ниже, чем промышленной.

Цементуемые стали с помощью газа

Впервые цементацию стали газом осуществили на Златоусовском комбинате под бдительным руководством П. Аносова. Этот эффективный способ разработали В. Просвирин, С. Ильинский и Н. Минкевич.

Суть процесса достаточно проста - металл цементируется под влиянием углеродсодержащего газа (природного, искусственного или генераторного) в герметически закрытой печи .

Самый доступный и часто используемый газ - это состав, который получают при разложении нефтепродуктов.

Его изготавливают следующим способом:

• в специальную емкость из стали наливают керосин, нагревают до процесса пиролиза - разложения керосина на смесь из нескольких газов;
• примерно 60% этого газа модифицируют и делают подходящим для цементации.

Смесь из модифицированного газа и чистого пиролизного газа используют для цементации. Необходимость модификации части газа вызвана тем, что от использования чистого пиролизного газа на стали получается недостаточная цементация, а на некоторых деталях может оседать немного сажи, которую сложно удалять.

Сам процесс цементации стали с помощью газа проводят на специальных печах-конвейерах непрерывного действия. Либо используют уникальные стационарные агрегаты.

Сначала в печь, ее муфель, помещают деталь. Установку закрывают и накаляют печь до 950 градусов. Потом подают заранее подготовленный газ.

Провести эту процедуру в домашних условиях практически нереально.

В то же время она имеет несколько преимуществ перед твердым способом обработки:

• меньше времени затрачивается на подготовку сырья для цементации;
• более благоприятные и безопасные условия для труда рабочих;
• ускорение процесса закалки за счет сокращения времени на выдержку изделий.

Самое важное при цементации стали - это грамотно организованный процесс и качественное оборудование и сырье. Твердый способ вполне можно реализовать в домашних условиях при наличии печи, карбюризатора и металлических форм. А также определенных умений и навыков, связанных с этим процессом закалки стали.

Химико-термическая обработка стали. Науглероживание стали в домашних условиях

Химико-термическая обработка стали | Обработка металла – стали и цветных металлов

Такая обработка металла изменяет не только его структуру, а и химический состав его поверхности. Благодаря этому деталь может иметь вяжущую сердцевину, которая выдерживает ударные нагрузки, и высокую твердость и стойкость против воздействия извне. Существует несколько способов химико-термической обработки, но в условиях небольшой мастерской (тем более в домашних условиях) можно выполнить только цементацию.

Цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя стали без доступа воздуха, в среде (карбюризаторе), котороя имеет значительное содержимое углерода. Цементируют обычно детали из малоуглеродных сталей, которые после закала поверхностного слоя шлифуют. Карбюризаторы для цементации поверхностного слоя стали могут иметь разный состав, но простейший такой, %:

Углекислый натрий или углекислыйбарий (для ответственных деталей) ………10Углекислый кальций……………………………..3Древесный уголь…………………………………..87

Карбюризатор можно приготовить из углекислого натрия (сода 6-10 %) и пиленного рога или торфяного кокса (90-94 %). Мелкие или одиночные детали цементируют в пасте, которая состоит из таких компонентов, %:

Газовая сажа……………………………………….28Кальцинированная сода………………………3,5Желтая кровяная соль………………………..1,5Веретенное масло……………………………….67илиГолландская сажа………………………………30Кальцинированная сода……………………….10Веретенное масло………………………………40Декстрин (клей) ………………………………..20

Хорошую пасту для цементации можно приготовить из художественной краски «Газовая сажа» (продают в тюбиках), к которой домешивают часть за массой кальцинированной соды.Места на деталях, которые не нуждаются в цементации, защищают противо-цементационными обмазками. Простейшая обмазка – это огнеупорная глина с добавкой (10 %) асбестового боя. Замешивают смесь на воде. Удобная в пользовании и такая обмазка, %: тальк-50, каолин – 25, вода – 25.Разводят эту обмазку к нужной плотности жидким стеклом или конторским силикатным клеем. Закладывают детали в цементационные ящики после высыхания обмазки. Цементируют так. В металлический ящик с крышкой на дно насыпают карбюризатор слоем 30- 40 мм и на него кладут подготовленные (обмазанные) детали таким образом, чтобы расстояние между ними, а также между ними и стенками ящика сотовляла около 10-15 мм. Сверху детали присыпают карбюризатором слоем 30-40 мм, закрывают крышкой, промазывают ее кромки огнеупорной глиной и сушат.Если для цементации используют пасту, то деталь намазывают ею слоем толще 3-4 мм, кладут в ящик, закрывают и также обмазывают кромки крышки огнеупорной глиной. После высыхания глины ящик помещают в печь и выдерживают (температуры 930-950 °С) на протяжении 1,5-3 года (с твердым карбюризатором 7-8 лет). При этом слой цементации достигает 1 мм. Иногда в ящике для цементации делают отверстия и в них вставляют 1-2 отрезка мягкого стального провода диаметром 3-4 мм (пробник). Щели хорошо обмазывают огнеупорной глиной. Спустя некоторое время пробник вынимают, отверстие замазывают глиной, а пробник переризают и определяют глубину цементации, т.е. целесообразность дальнейшего прогревания. После цементации детали охлаждают вместе с ящиком, потом нагревают до температуры 760- 780 °С. и закаливают. Упрощенная цементация. Небольшие детали из малоуглеродных сталей цементируют такими способами:желтой кровяной солью (железо-цианистый калий). Для цементации деталь нагревают, обсыпают солью и снова нагревают до расплавления соли (850 °С), потом вынимают и закаливают. При этом слой цементации сравнительно небольшой – около 0,15 мм. Если необходимо увеличить его, деталь обсыпают солью и нагревают при указанной температуре на протяжении 1 ч, потом сразу же закаливают, чугунными опилками. Это старый кузнечный способ «укрепление в горне». Нагретую к белому цвету деталь, не вынимая из горна, очищают проволочной щеткой и присыпают чугунными опилками, из которых углерод переходит на поверхность детали. Очищение и присыпания повторяют несколько раз. Целесообразно одновременно с опилками присыпать накаленное изделие древесному углем. После этого изделие закаливают восстановительным пламенем горелки. Если в газовую горелку не дать достаточно кислорода, углерод, который есть в ацетилене, не полностью сгорает и может переходить в состав металла на месте сваривания, т.е. происходит местное неглубокое науглеродование. Когда же одновременно применить как присадку стальной провод, который используют в автоматах для наваривания шеек коленчатых и других валов, толщину углеродного пласта можно увеличить до 1-2 мм. Смотрите также термическая обработка стали.

ometals.ru

Технология цементации стали. Закалка в домашних условиях видео.

Важным способом улучшения эксплуатационных свойств стали является химико-термическая обработка (ХТО), которая предполагает воздействие на заготовку реагента при повышенной температуре. В холодном состоянии сталь характеризуется низкой химической активностью, даже образование ржавчины протекает достаточно медленно. Чтобы увеличить скорость реакции, сталь нагревают до высокой температуры. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10° приводит к увеличению скорости химической реакции вдвое. Высокие температуры позволяют выполнить обработку стали за допустимое время для промышленного производства.

Выбор способа обработки ведется в зависимости от химического состава стали

В процессе обработки заготовка находится в среде химически активного вещества. Оно формирует на поверхности заготовки слой с особыми свойствами, отличающимися от основной части. В большинстве случаев ХТО позволяет улучшить механические свойства материала, его прочность, твердость и стойкость к износу.

Самыми популярными процессами ХТО выступают цементация, предполагающая насыщение углеродом, и азотирование, в котором ведется обработка азотом. Также высокой эффективностью обладает нитроцементация, которая совмещает азотирование и цементацию. Обработка другими элементами встречается редко. Выбор способа обработки ведется в зависимости от химического состава стали, от содержания углерода и легирующих веществ.

ХТО является одной из завершающих операций в технологическом цикле производства стальных деталей. Она выполняется после формоизменяющих операций, обработки давлением и резанием. В результате ХТО деталь приобретает увеличенную прочность поверхностного слоя, и обработать такую деталь становится гораздо сложнее. ХТО выполняется таким образом, чтобы коробление поверхности было минимальным и не требовалось выравнивать поверхность, срезая верхний слой. После ХТО производится только шлифовка поверхности.

Цементация стальных изделий

Стали, подвергаемые цементации, можно разделить на три группы по химическому составу:

Конструкционные стали, нелегированные или низколегированные: 15, 18, 20, 20Х, 20ХФ, 20ХМ, 18ХГ, 20ХН. Эти стали имеют низкую стоимость, но их невозможно закалить обычным способом из-за недостаточного содержания углерода, поэтому насыщение поверхности – простой способ увеличения их прочности.

Стали, легированные титаном 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХНТ, 20ХГНТР. В них образуется особо прочное соединение – карбид титана.

Высоколегированные конструкционные стали: 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА. Из них изготавливают наиболее прочные и ответственные детали.

Разработка технологии цементации зависит от группы, к которой относится сталь. Чтобы получить высокую твердость поверхности, от 58 HRC и выше, обработанную деталь подвергают закалке с последующим низким отпуском. Таким образом, сердцевина детали остается «мягкой» и вязкой, с твердость 35-40 HRC при высокой твердости поверхности. Благодаря этому обработанная деталь может использоваться при изгибающих нагрузках, которые опасны для хрупких изделий.

Способы выполнения цементации

Наибольшей популярностью пользуется газовая цементация. Она выполняется в печах шахтного типа, то есть установках, где обрабатываемые детали располагаются ниже уровня пола. Такая конструкция связана с несколькими особенностями процесса. Во-первых, так проще обеспечить печи герметичность. Вторая причина – газы, воздействующие на металл, имеют большую плотность, чем у воздуха. Газовая цементация используется на заводах, массово производящие упрочненные детали.

Температура при газовой цементации составляет 920-950 °С. Длительность обработки зависит от требуемой глубины цементированного слоя. Средняя скорость диффузионного распространения углерода 0,15 – 0,18 мм/ч. Обычно требуется упрочненный слой толщиной 0,8 – 1,5 мм, то есть продолжительность процесса может достигать 10 часов. Содержание углерода после обработки в поверхностном слое доходит до одного процента. Процесс цементации и последующее термическая обработка могут выполняться тремя различными режимами в зависимости от степени ответственности деталей. Неответственные детали обрабатывают за 2 нагрева, детали с повышенными требованиями – за 3, а с особенно высокими требованиями – за 4, применяя двойную закалку.

В мелкосерийном производстве достаточно популярен способ цементации при помощи твердого активного вещества, в состав которого входит древесный уголь и кокс, а также катализаторы процесса. Для обработки деталь помещается в стальную емкость. Несколько деталей размещаются таким образом, чтобы не касались друг друга или емкости.

Температура данного способа несколько выше, чем при газовой цементации. Недостатком процесса является сложность контроля над насыщением поверхности углеродом, что может привести к неравномерной твердости.

samara-metall.ru


В одном из прошлых материалов мы представили обзор видеоролика по изготовлению ножа из пилы. Такой нож имеет толщину клинка 3 мм и если прогреть его до нужной температуры и резко остудить для закалки, то скорее всего клинок выкрутит в пропеллер, или нож попросту лопнет. Поэтому предлагаем обзор видео по закалке такого ножа в графите. По словам автора идеи, закалка в графите имеет преимущество в том, что нагрев требуется только на режущей кромке клинка.

Нам понадобится:- источник постоянного тока;- немного соли;- вода;- графит в порошкообразном состоянии;- небольшой кусок тряпки;- металлический профиль.


Графит можно получить из щеток, используемых в строительных инструментах, а также из пальчиковых батареек. Отметим также, что тряпку желательно использовать не синтетическую. Что касается металлического профиля, то он будет использоваться для изготовления корпуса, и его при желании можно заменить уголком.
Берем профиль и подсоединяем его к плюсовому контакту источника постоянного тока.
Затем берем немного соли и растворяем ее в воде.
После растворения соли в воде, смачиваем ей тряпку. Это нужно для того, чтобы создать своеобразный предохранитель между металлами, чтобы избежать нечаянного прикосновения ножом о металлическую заготовку, поскольку в таком случае возникнет прямая дуга, в результате чего металл ножа испортится.
Отжимаем тряпку и кладем в металлический профиль.

Засыпаем на тряпку графит.
Подсоединяем клинок к минусовому проводу, после чего можно начинать закалку. Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

usamodelkina.ru

Химико-термическая обработка стали

Благодаря такой обработке меняется не только структура металла, но и химический состав его верхнего слоя и деталь может иметь вязкую сердцевину, выдерживающую ударные нагрузки, высокую твердость и износность. Из существующих способов химико-термической обработки стали в условиях небольшой мастерской можно выполнять только цементацию. Цементация - это науглероживание поверхности стали. Этому процессу подвергают чаще всего изделия из малоуглеродистых сталей, содержащих не более 0,2% углерода и некоторых легированных сталей. Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10% асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия.

2-ой состав применяемой обмазки: каолин - 25%, тальк - 50%: вода - 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.

Цементацию делают после полного высыхания обмазки.

Вещества, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.

В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа - 55%, кальцинированная сода - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода - 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.

Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.

Нагрев заготовки - ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С - в 5 раз. Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются. Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке. Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм.

Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме "железо-углерод", где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке. Пережог - неисправимый брак. Если заготовку ковать нагрев до температуры ниже Тн, то это приведет к образованию трещин.

При температуре на 20-30°С выше температуры Тк в металле происходит раскристаллизация и структура остается мелкозернистой. На этом этапе надо заканчивать ковку.

При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

Итак. При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева - слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

www.kefa.ru

Закалка и науглероживание металлов - Кустарь

Закалка имеет целью придать стали особую твердость, свойственную стали, нагретой выше 700 °C и быстро охлажденной. При операциях закалки большое значение имеет правильный накал металла (отсутствие пережога) и равномерное быстрое охлаждение. При накаливании металла следует избегать излишнего окисления поверхности. Лучше всего накаливаемую сталь покрывать особым составом, который содержит в себе углерод. Углерод этот переходит в сталь (науглероживание) и сообщает ей особую твердость. 1. Ванны для закаливания по Шену. Примененная опытной рукой водяная баня является самым дешевым средством для закаливания металлов. Нужно только позаботиться, чтобы водяная баня была продолжительное время одинаковой температуры, лучше всего 27°. При более теплой воде металл делается ломким, при горячей воде - недостаточно твердым. Выгоднее всего при каждом сорте товара пробным опытом установить верную температуру и уже держаться ее при работе. 2. Особый прием закалки стали. Как известно, стали можно придать путем особой закалки такую твердость, что она будет резать стекло, подобно алмазу. Но не всем известно, что для сообщения стали такой твердости существует простой способ. Шило, лезвие ножа или другой инструмент следует накалить до ярко красного свечения и тотчас же погрузить в обыкновенный сургуч на одну лишь секунду. Операцию погружения в сургуч нужно повторить несколько раз, выбирая каждый раз для погружения свежее место в сургуче до тех пор, пока сталь не остынет и не будет уже более входить в сургуч. Тогда процесс закалки считается законченным. Остается очистить приставшие частицы сургуча. При употреблении закаленного таким способом острия или лезвия из стали, советуется каждый раз смачивать его скипидаром. 3. Составы для науглероживаиия закаливаемой стали. а) Хорошим составом для науглероживания закаливаемой стали может быть следующий: берут 1 толченого стекла, 200 поваренной соли, 8 животного угля, 2 древесного угля, 2,5 ржаной муки, 25 канифоли и 1200 желтой кровяной соли, растирают все составные части в порошок и замешивают в спирте до получения густого теста. Этим составом Покрывают стальные предметы перед закалкой. Особенно пригоден он для инструментов, как напр., напильников и т. п. б) Вместо указанного выше рецепта можно применить следующий. Берут 700 канифоли, 300 железисто- синеродистого калия (желтой кровяной соли), 100 медного купороса и 100 льняного масла. Эти составные части, начиная с канифоли, варятся в горшке при постоянном помешивании (по Бруккерту) до тех пор, пока останется остаток в 1000 (улетучивают таким образом 200). Массу выливают в ящики, где она затвердевает. Чтобы закалить инструмент, его нагревают до вишнево-красного каления и втыкают в массу, которая под влиянием разогретого инструмента становится сразу мягкой. Хорошую сталь еще раз нагревают и погружают затем в холодную воду, отчего сталь становится очень упругой. Сталь худшего качества нужно 2 - 3 раза подряд погружать, каждый раз перед этим накаливая ее, в закаливающуюмассу. 4. Закалка напильников. Напильники обсыпаются смесью из 5 роговой муки, 5 древесного угля в порошке, 2 поваренной соли в порошке и 1 железисто-синеродистого Калия (желтой кровяной соли).

www.sdelaysam.info

sovmasteru.ru

Науглероживатель: производство, особенности, применение

В процессе выплавки чугунов и сталей углерод вводят в расплав или подают на зеркало металла в момент его разлива. Для этого используют специальные углеродсодержащие материалы, которые называют науглероживателями (или карбюризаторами). Науглероживатель придает сплавам железа дополнительную прочность, твёрдость, снижает их вязкость и пластичность, а также предупреждает окисление отливок во время охлаждения.

В качестве карбюризаторов активно применяется искусственный измельченный графит разных марок.

Производство науглероживателя

Технология получения основывается на глубокой термообработке исходного материала, в результате которой он приобретает совершенную (или приближенную к совершенной) кристаллическую решетку с упорядоченно расположенными атомами. Процесс протекает при высоких температурах (2400-2600 °С) в промышленных условиях без доступа воздуха.

Сырьем для производства служат:

1. Электродный бой.
2. Графитовая стружка, оставшаяся после обработки фасонных изделий.
3. Нефтяной кокс, пековый кокс.
4. Огарки графитовых электродов.
5. Графитовый лом.
6. Антрацит.

Для карбюризаторов характерно особо низкое содержание азота, т.к. при массовой доле выше 0,009% он формирует структурные дефекты - газовые поры или трещины.

Особенности выбора

Основные показатели, определяющие целесообразность использования материала той или иной марки, следующие:

• массовая доля углерода: чистота химического состава оказывает прямое влияние на степень насыщения расплава. Наименьшим содержанием примесей характеризуются материалы, подвергнутые графитации: при упорядочивании структуры атомных слоев происходит и снижение зольности;
• степень усвоения углерода жидким металлом: во многом зависит от типа используемого плавильного агрегата, но значение имеют также и скорость растворения науглероживающих реагентов, их химический и минералогический состав, содержание летучих веществ. Измельченный графит растворяется в расплавах быстро и равномерно даже при относительно низких температурах;
• размер фракций: пылевидные и мелкие частицы могут быть унесены конвективными воздушными потоками; кроме того, они наиболее подвержены окислению. Крупные фракции медленно растворяются. Чтобы правильно рассчитать этот параметр, следует исходить из объема обогащаемой стали (чугуна), а также интенсивности перемешивания;
• зольность: зола состоит из разных химических элементов, которые оказывают негативное влияние на поглощение углерода жидким металлом. Минеральные примеси первыми вступают в реакцию, откладывая тем самым процесс науглероживания. Процентное содержание золы во многом зависит от состава исходного сырья, температуры его обработки и величины частиц.

Материалы, имеющие природное происхождение, отличаются повышенной зольностью (по сравнению с искусственными).

Область применения

Карбюризаторы предназначены для получения стали и чугуна определенного химического состава с заданными свойствами. Основные преимущества использования для их производства искусственного измельченного графита:

• снижение себестоимости конечной продукции;
• оптимизация технологического процесса выплавки;
• глубокое, полное и равномерное растворение углерода в металле;
• удобство транспортировки и хранения;
• устойчивость к окислению.

Помимо обогащения сталей, науглероживатели широко применяются для вспенивания шлаков, при изготовлении углеграфитовых продуктов и материалов, а также служат наполнителями для графитопластов.

doncarb.com

Накоплено множество методов обработки металлических конструкций. Одним из них является цементация стали; что это, как сделать в домашних условиях, можно понять, изучив основные технологические приемы процесса.

Общие сведения

В старину топоры из сырого железа помещали в герметичный глиняный горшок, наполненный углем, и ставили в печь на несколько суток. Внешние слои насыщались углеродом под действием жара. Инструмент получал твердую поверхность, сохраняя мягкую, пластичную сердцевину. Сущность технологии сохранилась, прием получил развитие, стал распространенным и разделился на несколько ветвей.

Метод цементации описывается как способ обработки металла с использованием высоких температур в среде определенных химических веществ (химико-термическая обработка); среда может быть жидкой, газовой или твёрдой. Химические компоненты при нагревании выделяют свободный углерод. Поверхность нагретого металла поглощает атомы газа, меняя свою структуру (происходит диффузное насыщение на глубину от 0,5 до 2 мм).

Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Назначение такой термообработки в том, чтобы изменить (усилить) некоторые характеристики поверхностного слоя металлического изделия:

1. Слой укрепляется, улучшаются такие его свойства, как твердость и износостойкость; при этом более глубокие слои сохраняют свои первоначальные свойства (вязкость и упругость). Поверхность хорошо сопротивляется истиранию, сердцевина способна выдерживать динамические нагрузки.
2. После обработки предмет приобретает твердость, аналогичную с полученной по методу классической закалки (огнем и механическим воздействием).

Выделяют следующие особенности метода:

• При организации процесса цементации важно выдерживать временные и температурные интервалы. Оптимальная плотность атомарного углерода появляется при поддержании температуры от 850 до 950°C.
• Диффузное насыщение идет с малой скоростью; в этом заключается его особенность. Поглощение поверхностью атомов газа течет со скоростью 0,1 мм/час (значение может немного меняться в зависимости от среды и температуры). Учитывая, что ожидаемая толщина слоя начинается от 0,8 мм, нетрудно подсчитать, что полезные свойства деталь приобретет минимум через 8 часов.
• Метод признан эффективным для легированных (инструментальных) и низкоуглеродистых сталей, где доля углерода в составе ограничена 0,2-0,25%, и они способны поглотить дополнительное количество атомов газа. Допускаются машиностроительные, строительные и арматурные стали марок 20х, 40х. Углеродистые стали таким способом не обрабатываются.
• Технология цементации допускает использование нескольких сред. Разработаны приемы закалки в присутствии твердого и газового карбюризатора (углеродистого вещества, способного делиться углеродом). Поверхностное науглероживание возможно в кипящем слое, в растворах электролитов и в пастах.

Самыми распространенными в циклах производства являются газовые и твёрдые карбюризаторы.

Газовая цементация

В машиностроении распространена технология насыщения верхнего слоя стальных изделий углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Известно, что такое производство удобно для массовой обработки деталей, так как:

1. Допускается регулирование плотности газов; тем самым формируется углеродистый слой с заданными свойствами.
2. Полный цикл термообработки (цементация, закалка, промывка и отпуск) проходит в одном месте - в шахтной (цементационной) печи.
3. Процесс экономичен, механизирован и автоматизирован.
4. Коробы с карбюризатором не нуждаются в прогреве, что сокращает время протекания цементации.
5. Скорость науглероживания деталей возрастает в 2 – 3 раза (сравнивая с другими методами), однородность слоя выше.
6. Температуру газовой смеси углеводородов (метан и окись углерода), доводят до 900-950°С.
7. После цементации технологическую цепочку завершает отпуск (закаливание).

В твердом карбюризаторе (твердая)

В качестве среды-донора углерода используют древесный уголь; как вариант - торфяной кокс, каменноугольный полукокс. Смесь дополняют активизаторами (углекислый натрий, барий или кальций).

Для качественного насыщения уголь измельчают до частиц размером 3-10 мм, а затем просеивают, чтобы избавиться от пыли. Активизаторы также измельчают и просеивают, стремясь придать солям вид мелкого порошка.

Процесс цементации стали проходит в несколько этапов:

• Предметы, очищенные от эмульсии и масла, загружают в ящик из стали, с карбюризатором, который должен полностью их покрывать. Нельзя допустить их касания стенок ящика и друг друга.
• Емкость помещается в печь. Ее герметичность обеспечивается притертой крышкой, глиной или песчаным затвором.
• Начав с предварительного прогрева, температуру повышают до технологических 900-950°C.
• Возможен ускоренный вариант (при 980°C), сокращающий время насыщения в 2 раза, но вызывающий образование карбидной сетки (возникающей из-за слишком высокого углеродного насыщения). Для ее устранения и исправления структуры проводят дополнительную многоэтапную обработку (нормализацию).

Цементация стали в домашних условиях организовывается в твердой среде или с использованием графита. Оба варианта доступны и не требуют специальных познаний. Обустройство помещения для первого способа максимально упрощается, поскольку печь не нуждается в обеспечении высокой герметичности.

Это условие вполне достижимо в домашней мастерской. Несмотря на очевидные преимущества, у метода есть и недостатки: трудоемкость и низкая производительность.

Перед обжигом готовится твердая смесь (карбюризатор). Она состоит из смеси древесного угля с углекислыми солями бария, натрия или кальция. Соли предварительно измельчают до порошкообразного состояния, а затем просеивают, чтобы добиться однородности. Доля древесного угля в смеси - 70-90%, остальное приходится на соли.

Смесь создается одним из двух способов:

1. Соль и древесный уголь тщательно перемешиваются. Если смесь будет недостаточно однородной, во время цементации разные участки поверхности детали будут поглощать разное количество газа. В результате на изделии образуются пятна, сигнализирующие о недостаточной концентрации углерода; качество поверхности будет неравномерным.
2. Уголь пропитывают солью, растворенной в воде. Затем его подсушивают до получения смеси, влажность которой не превышает 7%. Такой состав получается однороднее и лучше подходит для использования дома.

Этапы цементации в твердой среде:

• Изделие очищается от загрязнений и укладывается в металлический короб, засыпается твердым карбюризатором (порошковой смесью). Необходимо следить, чтобы между стенками и ним сохранялся промежуток в 2-2,5 см. Размер ящика должен соответствовать форме предмета; это сократит время прогрева и улучшит качество цементированного слоя.
• Короб накрывается подогнанной крышкой, ее края промазываются глиной для герметичности (от утечки газов).
• Емкость помещают в предварительно прогретую печь. Цементация запускается при температуре 850-920°C.
• Атомы углерода поглощаются раскаленным верхним слоем.

Твердая цементация стали допускает неоднократное использование карбюризатора. Для повторного отжига к отработанному карбюризатору достаточно добавить до 30% свежей смеси.

Для большинства ответственных машинных деталей (валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, лемехи, шпиндели) достаточной считается глубина цементированного слоя от 0,6 до 2 мм. Время выдержки для приобретения достаточной твердости может варьироваться от 6 до 20 часов.

Изделия после цементации в твердом карбюризаторе получаются прочными, но хрупкими. Чтобы избавится от нежелательного свойства, детали подвергают термообработке (закалке) с нагревом до 840-850°С, с последующим отпуском (нагревом до 780-800°С), снимающим внутренние напряжения.

Графитом

Цементацию стали в домашних условиях можно проводить несколько иным способом, без нагревания в печи.

Проверить твердость лезвия (ножа, зубила) можно с помощью напильника, который прекрасно точит не закаленный до нужной степени инструмент. Исправить проблему и повысить прочность кромки можно своими руками, используя несложное оборудование и затратив на это немного времени.

Для домашних условий применим способ цементации металла с использованием графитового порошка, как вещества с хорошей электропроводимостью. При закалке в графите нагрев идет только по режущей кромке.

Для организации рабочего места потребуется:

1. Графитовый порошок, измельчённый в пыль (даёт мельче искры).
2. Источник питания (понижающий трансформатор); для комфортной работы графитовым электродом достаточно 6-12 В.
3. Провода достаточного сечения.
4. Металлическая подложка (поддон, уголок или кусок профиля).
5. Предмет, на котором предварительно желательно убрать зазубрины (мелкой шкуркой).

• На металлический поддон насыпается графитовый порошок (его можно получить, сточив графитовую щетку от электродвигателя или из батарейки)
• К подложке подсоединяется плюсовой контакт, к предмету, требующему закалки - отрицательный провод.
• На трансформатор подается напряжение.
• Предмет (лезвие) необходимо перемещать над слоем графита плавными движениями; при этом цепь замыкается и между лезвием и порошком проскакивают небольшие искры.
• Лезвие в процессе нагревается; оно не должно касаться подложки. При контакте с поддоном короткое замыкание (дуга) может прожечь кромку.

Ограничения метода:

1. Трудно достичь равномерного прогрева в порошке, и, следовательно, приемлемого качества для изделия заметных размеров. Науглераживание детали углеродом графита подходит для цементирования режущей кромки садового инструмента (лопат) и ножей. Для ответственных деталей метод не рекомендуется.
2. Теоретически качественная цементация идет со скоростью около 0,1 мм/час. Скорость можно увеличить, увеличив температуру, но это также становится причиной итоговой хрупкости.

Таким способом можно цементировать лопату, косу, сверло, отвертку, ножи газонокосилки.

Цементация проводится и в менее распространенных карбюризаторах.

В пасте

Способом можно пользоваться дома. Пасту необходимо нанести на предмет и дать ей подсохнуть. После предмет помещается в печь и выдерживается при 900-950°С расчетное время. Таким методом можно добиться толщины науглероженного слоя в 0,7-0,8 мм.

Паста состоит из:

• сажи, 55 %;
• кальцинированной соды (желтая соль), 30 %;
• щавелевокислого натрия, 15%.

Составляющие размешиваются в воде до пастообразного состояния.

В растворе электролита

Метод базируется на анодном эффекте и подходит для небольших предметов.

1. Предмет погружается в печь-ванну с раствором, предварительно разогретым до рабочей температуры (от 450 до 1050°С, в среднем - 850-860°С). Необходимое напряжение составляет 150-300 В.
2. За 1,5-2 часа поверхность металла насыщается углеродом на глубину 0,3-0,4 мм.

Стандартный раствор содержит:

• соду 75-85 %;
• хлористый натрий 10-15 % ;
• карбид кремния 6-10 %.

Видео: цементация (закалка).

Цементация в кипящем слое

Промышленный метод, протекающий в специальной установке (печи кипящего слоя). Основа метода - получение псевдожидкого состояния сыпучего вещества (корунда) в смеси раскаленных газов (в экзогазе). Температура распределяется равномерно по всему объему печи, что уменьшает деформацию предметов и их коробление.

Обработку изделия не заканчивают цементацией; рекомендуется провести термообработку (отпуск) или отшлифовать его. Чтобы достичь необходимого уровня прочности при цементации и закрепить его твердость, необходимо правильно соблюдать условия технологического процесса.

В одном из прошлых материалов мы представили обзор видеоролика по изготовлению . Такой нож имеет толщину клинка 3 мм и если прогреть его до нужной температуры и резко остудить для закалки, то скорее всего клинок выкрутит в пропеллер, или нож попросту лопнет. Поэтому предлагаем обзор видео по закалке такого ножа в графите. По словам автора идеи, закалка в графите имеет преимущество в том, что нагрев требуется только на режущей кромке клинка.

Нам понадобится:
- источник постоянного тока;
- немного соли;
- вода;
- графит в порошкообразном состоянии;
- небольшой кусок тряпки;
- металлический профиль.

Графит можно получить из щеток, используемых в строительных инструментах, а также из пальчиковых батареек. Отметим также, что тряпку желательно использовать не синтетическую. Что касается металлического профиля, то он будет использоваться для изготовления корпуса, и его при желании можно заменить уголком.

Берем профиль и подсоединяем его к плюсовому контакту источника постоянного тока.

Затем берем немного соли и растворяем ее в воде.

После растворения соли в воде, смачиваем ей тряпку. Это нужно для того, чтобы создать своеобразный предохранитель между металлами, чтобы избежать нечаянного прикосновения ножом о металлическую заготовку, поскольку в таком случае возникнет прямая дуга, в результате чего металл ножа испортится.

Отжимаем тряпку и кладем в металлический профиль.

Засыпаем на тряпку графит.

Подсоединяем клинок к минусовому проводу, после чего можно начинать закалку.

Одним из часто применяемых способов химико-термической обработки металла является цементация стали, которая может осуществляться в разных средах при достаточно высоких температурах.

1 Процесс цементации стали – общие сведения

Под химико-термической обработкой стали понимают процесс нагрева изделий в жидкой, газовой либо твердой среде с целью изменения их химического состава, которое достигается за счет насыщения углеродом поверхностного слоя обрабатываемых объектов. Такое изменение существенно повышает износостойкость и твердость деталей. Причем их сердцевина остается вязкой.

Процесс цементации дает ожидаемые результаты в тех случаях, когда обрабатываются низкоуглеродистые стали, в которых содержание углерода не превышает показателя в 0,2 процента. Поверхностный слой изделия насыщается при его нагреве до определенной температуры (от 850 до 950 °С) в специально подобранной среде, способной без проблем выделять активный углерод.

При указанных условиях модифицируется не только химсостав детали, но и ее микроструктура, а также фазовый состав. Поверхность изделия становится упрочненной, по сути, она получает характеристики, аналогичные тем, которые получаются после . При этом очень важно правильно подобрать длительность выдержки стали и температуру цементации.

Цементирование стали – это достаточно продолжительный процесс. Как правило, скорость насыщения поверхности и получения ей особых свойств равняется приблизительно 0,1 миллиметр за 60 минут выдержки. Для большинства деталей требуется упрочненный слой более 0,8 мм, а значит, процесс займет не менее 8 часов. Сейчас цементацию производят в следующих средах (их называют карбюризаторами):

• в газовой;
• в пастообразной;
• в твердой;
• в растворах электролитов;
• в кипящем слое.

Чаще всего, используется цементация в газовом и твердом карбюризаторе.

2 Цементация стали в твердой среде – в домашних условиях и на предприятии

Твердый карбюризатор делается из смеси углекислого натрия, бария или кальция с древесным углем (березовым либо дубовым), который дробится на небольшие фракции (от 3 до 10 мм), а затем с целью удаления пыли просеивается. Соли также необходимо измельчить до порошкообразного состояния и пропустить через сито.

Непосредственно смесь готовится по двум методикам:

• сухая соль и уголь перемешиваются максимально тщательно, чтобы исключить вероятность образования пятен в процессе химико-термической обработки стали;
• древесный уголь поливается солью, которую перед этим растворяют в воде, затем получившуюся композицию высушивают (влажность готовой смеси должна быть не более 7 %).

Вторая методика признается в разы качественнее первой, так как гарантирует получение равномерной смеси для насыщения поверхностей углеродом. Древесного угля в готовом карбюризаторе – от 70 до 90 %, остальная часть – углекислый кальций и углекислый барий.

Осуществляется твердая цементация в ящиках с карбюризатором. Оптимально, если ящики производят по форме тех изделий, которые предполагается обрабатывать, так как в этом случае качество цементованного слоя улучшается, а время, идущее на прогрев "тары", снижается. Чтобы исключить утечку газов, ящики замазывают глиной (огнеупорной) и накрывают плотно прилегающими крышками.

Отметим, что "тару" специальной формы (под конкретный вид изделий) экономически целесообразно изготавливать и использовать только тогда, когда химико-термической обработке подвергается множество деталей. Чаще же применяются стандартные по форме (квадратные, круглые и прямоугольные) ящики с разными геометрическими параметрами, что позволяет выбирать их в зависимости от числа изделий и размера печи.

В качестве материала для ящиков выступает малоуглеродистая или (что лучше) жаростойкая сталь. А сам процесс обработки в твердом карбюризаторе проводится по такой схеме:

• изделия, которые следует насытить углеродом, укладывают попеременно с приготовленной смесью в ящики;
• печь нагревается до 900–950 °С, в нее и подается "тара";
• выполняют прогрев ящиков при температуре от 700 до 800 градусов (такой прогрев называют сквозным), сигнализатором достаточного уровня нагрева служит однородный цвет подовой плиты (без темных мест под ящиком);
• поднимают до 900–950 °С температуру в печи.

При указанной температуре проходит диффузия в кристаллическую структуру металла активного углерода (его атомов). Теоретически возможна даже цементация дома, есть немало умельцев, которые выполняют данный процесс самостоятельно. Но эффективность "домашней" цементации находится на низком уровне из-за длительности обработки и необходимости обеспечить высокую температуру процесса.

3 Газовая цементация – оптимальный вариант для массовой обработки изделий

Теоретические основы такой цементации были разработаны С. Ильинским, Н. Минкевичем и В. Просвириным, а впервые осуществили ее на Златоустовском комбинате под руководством П. Аносова. Процесс производится в среде углеродосодержащих газов (генераторных, искусственных, природных) в полностью герметичных нагревательных печах. Самым популярным искусственным газом является состав, который получается при разложении нефтепродуктов. Изготавливают его следующим образом:

• в стальную нагретую емкость подают керосин, проходит пиролиз (разложение керосина на смесь газов);
• некоторый объем пиролизного газа (около 60 %) крекируют (модифицируют его состав).

Комбинацию крекированного газа и чисто пиролизного используют для проведения химико-термического процесса науглероживания. Необходимость в получении крекированного газа обусловлена тем, что при использовании только пиролизного состава получается недостаточная глубина цементирования стали, а на деталях, кроме того, оседает очень много сажи, которую не так уж и просто удалять.

Процесс газовой цементации проводится в конвейерных печах непрерывного действия (в методических) либо в стационарных агрегатах. В муфель печи помещают изделия, которые хотят упрочнить, закрывают установку, подогревают ее до 950 градусов, а затем подают подготовленный газ. Преимущества подобной процедуры по сравнению с обработкой деталей в твердом карбюризаторе: