Цементация – это металлургический процесс, который позволяет создавать детали с уникальными свойствами. В этой статье мы исследуем, что такое цементация, её процесс и применение.
Повышение прочности поверхности
Цементная закалка — это процесс термической обработки, при котором поверхность металлической подложки упрочняется, при этом сердцевина остается более мягкой. Это позволяет объединить в одной детали лучшие свойства мягкого и твердого металла.
Мягкий материал выдерживает ударные нагрузки намного лучше, чем твердый. Он также более жесткий, пластичный и прочный, но не обладает достаточной износостойкостью. Хорошая износостойкость имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы материал не изнашивался из-за истирания или трения. Упрочняя только внешнюю поверхность, можно значительно снизить износ металла без ущерба для других свойств.
Мы можем добиться тонкого слоя закаленной поверхности с помощью различных средств, таких как изменение кристаллической структуры и/или добавление новых элементов на поверхность. Но независимо от процесса, цементация почти всегда требует повышенных температур.
Когда используется цементация металла?
Мы используем поверхностное упрочнение, когда нужно улучшить поверхностную твердость более мягких материалов, таких как детали из железа или низкоуглеродистой стали. Стандартной практикой является выполнение этого процесса после всех операций механической обработки и формовки, так как это снижает обрабатываемость детали. Но также можно сделать это на более ранних стадиях производственного процесса. Вот некоторые из случаев, когда используется процедура упрочнения корпуса.
Низкий бюджет
Существует значительная разница в цене между низкоуглеродистой сталью и инструментальными сталями, такими как быстрорежущая сталь. В некоторых случаях разница может быть более чем в 20 раз. Таким образом, когда бюджет является проблемой, мы можем использовать цементируемую низкоуглеродистую сталь вместо инструментальной.
Кроме того, поверхностная закалка требует меньше энергии и времени по сравнению со сквозной закалкой, поскольку вы не закаляете весь объём. Таким образом, наряду со стоимостью сырья, можно сэкономить ресурсы в производстве.
Уникальные свойства
Сочетание мягкого внутреннего ядра с жестким внешним слоем обеспечивает уникальные свойства, как говорилось в предыдущем разделе. Упрочнение корпуса позволяет воспользоваться этими свойствами. Цементируемые муфты являются примером деталей, которые обеспечивают не только прочность, но и долговечность. Они могут справиться с небольшими перекосами намного лучше, чем детали со сквозной закалкой.
Назначение детали
Для изделий иногда требуется только твердая поверхность. В таких случаях вместо сквозной закалки можно использовать только поверхностную закалку, например, для напильников, болтов и шестерен.
В напильнике зубы делают всю работу. Так что имеет смысл использовать низкоуглеродистую сталь и просто упрочнить поверхность. Это дешевле, чем использование инструментальной стали или даже сквозной закалки.
Давайте рассмотрим выгоды цементирования также на примере шестерни. Шестерня должна иметь высокую твердость зуба, чтобы придать ему износостойкость. Но он не нуждается в сквозной закалке. На самом деле рекомендуется сохранить ядро изделия мягким, чтобы избежать внезапного выхода шестерни из строя под высокой нагрузкой. Цементируемое зубчатое колесо позволяет сочетать гибкость и высокую твердость поверхности в одной и той же детали.
Процесс и методы цементации
Принцип упрочнения поверхности довольно прост. Мы хотим, чтобы поверхность образовывала твердую структуру, известную как мартенсит. Но такая структура образуется только при закалке стальных деталей при высоких температурах и при достаточно высоком содержании углерода в стальном сплаве.
Если содержание углерода достаточно, нужно только нагреть и закалить деталь. Но если содержание углерода низкое или если необходима высокая твердость, на поверхность материала нужно добавить такие элементы, как углерод и азот. Давайте теперь посмотрим на различные процессы, используемые для повышения прочности корпуса, основанные на вышеупомянутых принципах.
Нагрев и закалка
Традиционно для закалки ряда металлов использовалось закаливание. Когда мы хотим цементировать металл, можно использовать прямое кислородно-газовое пламя на стальной детали. В некоторых случаях используется индукционный нагрев. В любом случае температура поверхности стальной детали быстро повышается. Это приводит к изменению кристаллической структуры от перлитной до аустенитной.
После достижения заданной температуры деталь быстро охлаждают, часто погружая ее в воду. Это снова изменяет кристаллическую структуру, на этот раз от аустенита до мартенсита, который представляет собой особенно твердую структуру.
Поскольку изменению кристаллической структуры подвергается только поверхность, деталь затвердевает только на поверхности. Но для того, чтобы деталь соответствовала технологии, в исходном металле должно быть достаточно углерода. В случае низкого содержания углерода (<0,3%) этот метод не даст положительных результатов.
Науглероживание