Цементация - Case-hardening

Colt Peacemaker с потускнением в результате цементирования

Цементация или поверхностное упрочнение - это процесс упрочнения поверхности металлического объекта, позволяющий металлу глубже оставаться мягким, таким образом образуя тонкий слой более твердого металла 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, которые будут использоваться в узорной сварке или аналогичном процессе. ТерминЗакалка 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 обстоятельствах цементирование может привести к образованию компонента, который не будет разрушаться (из-за мягкого сердечника, который может поглощать напряжения без растрескивания), но также обеспечивает адекватную износостойкость на закаленной поверхности.

История

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 на Западе он практически не использовался до популяризации кузницы для украшений . 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 уменьшается 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 , и все это внутри хорошо запечатанной коробки («футляр»). . Затем этот науглероживающий пакет 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, тогда как детали машин, такие как шестерни, могут нуждаться только в неглубокой закалке для повышения износостойкости.

Получающаяся в результате цементированная деталь может демонстрировать отчетливое обесцвечивание 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 гомогенными сплавами, поскольку одна твердая сталь имеет тенденцию быть хрупкой.

Химия

Сам по себе углерод твердый при температурах 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 рециркулирует в цикле CO, поэтому его можно проводить внутри герметичного ящика («футляра»). 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. Это общеизвестное заблуждение, что цементирование проводилось с использованием костей, 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

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 низкоуглеродистые стали обычно не поддаются закалке из-за низкого количества углерода, поэтому поверхность стали подвергается химическим изменениям 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 « цементация» происходит от практических аспектов самого процесса науглероживания, который по сути совпадает с древним процессом. Стальная заготовка помещается в корпус, плотно набитый цементирующим компаундом на основе углерода. Все вместе это известно как науглероживающий пакет. Пакет помещается в горячую печь на переменное время. Время и температура определяют, насколько глубоко в поверхности распространяется отверждение. Однако глубина упрочнения в конечном итоге ограничивается неспособностью углерода проникать глубоко в твердую сталь, и типичная глубина поверхностного упрочнения при использовании этого метода составляет до 1,5 мм. В современном науглероживании также используются другие методы, такие как нагревание в богатой углеродом атмосфере. Мелкие изделия могут подвергаться цементированию путем многократного нагрева горелкой и закалки в среде, богатой углеродом, например, коммерческие продукты Kasenit / Casenite или Cherry Red. Старые составы этих соединений содержат потенциально токсичные цианидные соединения, в то время как более новые виды, такие как Cherry Red, не содержат .

Процессы

Пламенная или индукционная закалка

Звездочка, закаленная пламенем. Изменение цвета вокруг зубов очерчивает участок, который был быстро нагрет, а затем закален.

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.%. В отличие от других методов, пламенная или индукционная закалка не изменяет химический состав материала. Поскольку это просто локализованный процесс термообработки, они обычно применимы только для высокоуглеродистых сталей, которые в достаточной степени реагируют на закалочную закалку.

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 долговечности 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

Науглероживание - это процесс, используемый для цементации стали с содержанием углерода от 0,1 до 0,3 мас.% C. В этом процессе сталь вводится в богатую углеродом среду 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 нагревание в течение некоторого времени приводит к диффузии углерода во внешние слои. При нагревании в несколько часов может образоваться высокоуглеродистый слой толщиной около 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

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 может быть закалена после закалки, отпуска и механической обработки. После азотирования закалка не производится.

Цианирование

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, 0,01 и 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 на небольших деталях, таких как болты, гайки, винты и маленькие шестерни. Главный недостаток цианирования - ядовитость цианистых солей.

Карбонитрирование

Карбонитрирование аналогично цианированию, за исключением того, что вместо цианида натрия используется газовая атмосфера, состоящая из аммиака и углеводородов. Если деталь подлежит закалке, 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

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

Детали, которые подвергаются высокому давлению и резким ударам, по-прежнему обычно закалены. Примеры включают ударные штифты и торцы затворов винтовки или распределительные валы двигателя . В этих случаях поверхности, требующие твердости, могут быть избирательно упрочнены, оставляя большую часть детали в ее первоначальном твердом состоянии.

В прошлом огнестрельное оружие было обычным предметом закалки, так как оно требовало точной обработки, лучше всего для низкоуглеродистых сплавов, но требовало твердости и износостойкости, как у сплава с более высоким содержанием углерода. Многие современные копии 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.

Еще одно 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 материал (материалы), в котором 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 скобы и цепи часто закалены для защиты от порезов, но при этом остаются менее хрупкими внутри, чтобы противостоять ударам. Поскольку цементированные детали трудно поддаются механической обработке, их обычно формуют перед закалкой.

Смотрите также

Внешние ссылки

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 оригинального (PDF) 29 августа 2019 года . Проверено 20 июня 2012 года .

Languages

In other projects