Jak probíhá proces cementace?

Pro chemické a tepelné působení na kovy existují různé technologie. Jedním z nich je cementování. Nauhličování je proces sycení povrchu nízkouhlíkové oceli uhlíkem.

Cílem procesu je zlepšit vlastnosti zpracovávaného kovu, jako je pevnost, tvrdost a odolnost zpracovávaného povrchu proti opotřebení. Tomuto typu tepelného zpracování se podrobují nízkouhlíkové, obvykle do 0.2-0,25 % C a legované oceli. Médium, kde dochází k procesu cementace, se nazývá nauhličovač.

Obrázek 1 Typy obrobků zpracovávaných procesem nauhličování

Teplotní režim procesu v případě použití pevného nauhličovače je cca 900-950 °C, při plynovém nauhličování 850-900 °C.

Existuje několik metod cementace:

1. Cementování kapalným nauhličovačem se provádí ponořením dílů do solných lázní při teplotě 830-850 °C. Nauhličovačem je v tomto případě roztok roztavených solí. K cementování dochází v důsledku uhlíku uvolněného v lázni v důsledku interakce solí s karbidem křemíku.

Obrázek 2 Kapalná cementace

2. Metoda pevné karbutizace zahrnuje zpracování kovu v kovové nádobě na pískové lože (bránu). Jsou umístěny tak, aby je bylo možné pokrýt ze všech stran rovnoměrnou vrstvou karburátoru. Kontakt produktů se stěnami nádrže nebo mezi sebou není povolen. Teplotní režim nauhličování t 925 ±25 ºС. Doba výdrže závisí na vrstvě saturačního média. Jako sytící médium pro tuto technologii cementování se používají polokoks z uhlí, rašeliny nebo dřevěného uhlí.

3. Nauhličování plynem je jednou z nejběžnějších a nejúčinnějších technik široce využívaných ve strojírenství. Samotný proces je poměrně jednoduchý, spolehlivý a stabilní. Hloubka cementování nepřesahuje 2 mm. Současně se výrazně zkracuje doba zpracování kovů a odpovídajícím způsobem se zvyšuje produktivita. Hlavním úkolem je správně vybrat směs plynů s optimálním obsahem uhlíku a teplotními podmínkami. Technika spočívá v naložení produktu do pece zahřáté na určitou teplotu, do které se přivádí směs plynů.

Obrázek 3 Plynová nauhličovací pec

4. A nakonec technologie cementování pastami. Okamžitě udělejme výhradu, že tento proces má omezení v aplikaci v závislosti na složitosti geometrie zpracovávaného výrobku a není vhodný pro složité výrobky. Technika je poměrně jednoduchá – na povrch vytvrzovaného produktu se nanese rovnoměrná vrstva pasty. Tloušťka vrstvy se volí na základě hloubky pronikání uhlíku do kovu. Rozsah provozních teplot od +930 do +1050 ºС. Díly jsou pečlivě vloženy do krabice a zakryty víkem, aby se zachovala vrstva pasty. Boxy se vkládají do pece vyhřáté na provozní teplotu 930-950°C. Chcete-li zkrátit dobu trvání procesu, lze ji zvýšit na 1000–1050 °C. Hlavní výhodou tohoto procesu je vysoká produktivita, nevýhodou je však nerovnoměrnost tmelené vrstvy do hloubky a její nasycení uhlíkem a tím i tvrdost.

Obrázek 4 Vykládání produktů po zpracování

Je velmi obtížné zajistit téměř rovnoměrné nanesení vrstvy pasty, protože tento proces se provádí ručně.

Nitridace je proces difúzního nasycení povrchové vrstvy oceli dusíkem při jejím zahřívání v čpavku. Kromě toho je tvrdost nitridované vrstvy znatelně vyšší než u cementované oceli. Nitridace je široce používána pro ozubená kola, výkonné válce motorů, mnoho dílů obráběcích strojů a mnoho dalších produktů.

6. Nitrokarburizace je druh chemicko-tepelného zpracování kovu, který spočívá v difúzním nasycení povrchu kovu z plynného prostředí dusíkem a uhlíkem při teplotách od + 500 . + 700 °C, nebo tzv. nízké -teplotní nitrokarbonizace. Tento proces zpracování zvyšuje odolnost proti opotřebení, únavu a kontaktní pevnost kovu a v některých případech jeho odolnost proti korozi. Používá se ke zvýšení spolehlivosti dílů.

Tepelný technolog podniku samostatně vybírá technologii tepelného zpracování, přičemž bere v úvahu mnoho faktorů: složitost geometrického tvaru, požadované vlastnosti tvrdosti, produktivitu a technologické možnosti výroby, rychlost procesu a náklady na jeho realizaci.

Produktová řada PETROFER pro cementační procesy produkuje vynikající řadu SURFATECT past:

— Pasta SURFATECT W 21 je ochranná kompozice pro nitridaci a nitrokarburizaci bez zápachu a rozpouštědel, ochranná vrstva je minimálně 0,3-05 mm. při teplotách tepelného zpracování do +970 °C

— Ochranná pasta SURFATECT W 25 pro nitridaci a nitrokarburizaci, tloušťka ochranné vrstvy je minimálně 0,5 mm. při teplotách tepelného zpracování do +970-980 °C

— Pasta SURFATECT W 30 pro proces tepelného zpracování plynového nauhličování. SURFATECT W 30 je ochranná kompozice, která neobsahuje bor a rozpouštědla. Poskytuje dobré ochranné vlastnosti proti nauhličování do hloubky 1,5 mm při teplotách tepelného zpracování do 1050 °C.

— SURFATECT W 34 pasta je ochranný prostředek bez obsahu mědi a rozpouštědel pro nauhličování plynů. Poskytuje dobré ochranné vlastnosti proti oxidu uhličitému až do hloubky max. 3,5 mm. s režimem tepelného zpracování až do + 970 °C.

Tyto produkty jsou široce používány, aby se zabránilo nadměrnému nauhličování určitých oblastí povrchu tvrzeného produktu, čímž se zajistí požadované viskozitní vlastnosti kovu, například v upevňovacích bodech.

Cementování oceli je tepelné zpracování kovu, které zahrnuje difúzní nasycení povrchové vrstvy zpracovávaného materiálu uhlíkem. Cementace je zaměřena na změnu vlastností oceli, což umožňuje získat kovy požadované pevnosti. Cementování se provádí na nízkouhlíkových ocelích (s obsahem uhlíku do 0,25 %) pro změnu vlastností povrchové vrstvy materiálu v dalších fázích zpracování, např. pro zvýšení jeho tvrdosti a odolnosti proti abrazivnímu opotřebení, zatímco kovové jádro zůstává měkké a pružné. Obsah uhlíku v cementační zóně se zvyšuje na 1–1,3 % a hloubka je nejčastěji 0,5–2 mm. Nejčastěji se pro nauhličování používají oceli různých slitin s obsahem uhlíku nejvýše 0,3 %.

Funkce procesu

Nauhličování oceli je tepelný proces, který má mnoho funkcí:

• Ocel lze zpracovávat v pevných, plynných nebo kapalných médiích.
• Při rovnoměrném ohřevu v jednom z těchto prostředí se mění povrchové vlastnosti oceli – v důsledku pronikání uhlíku do kovu se zvyšuje její pevnost a tvrdost a zlepšuje se odolnost proti opotřebení.
• Nauhličování legované oceli lze provádět při různých teplotách. Pokud tedy ve výrobě dojde k nauhličování, manipulace se provádějí při teplotách až 1200 stupňů Celsia. Pokud se nauhličování oceli provádí doma, optimální teplota ohřevu je 500 stupňů. Protože se atomová mřížka oceli během rovnoměrného ohřevu mění, její povrch získává vlastnosti podobné opětovnému kalení.
• Oceli používané pro nauhličování často obsahují chrom, který zabraňuje přehřívání a zvyšuje pevnost jádra.

Dá se říci, že nauhličování je do jisté míry totožné s kalením, ale v průběhu procesu ocel tvrdne a získává vysoké výkonové charakteristiky.

Při nauhličování oceli doma byste neměli očekávat rychlý výsledek, protože maximální rychlost procesu je asi 0,1 za hodinu pro nauhličení běžného kuchyňského nože, aby se posílily jeho vlastnosti (optimální velikost kalení je 0,8 mm) , musíte strávit alespoň 8 hodin.

Metody nauhličování

Existuje několik metod pro nauhličování oceli, z nichž některé se dnes prakticky nepoužívají.

Cementace v „kapalném“ médiu.

Provádí se ponořením obrobků do roztavených solí, které byly směsí chloridů, uhličitanů nebo kyanidů alkalických kovů. Proces se provádí v následujícím pořadí:

• Vany s roztavenými solemi se zahřívají na teplotu 850 stupňů.
• Ocelové polotovary jsou spuštěny do lázní a ponechány tam, dokud není dokončeno nauhličování.

Maximální tloušťka vrstvy oceli tmelené v tekutém základu je 0.5 mm – to je přibližně tři hodiny.

Probíhá při teplotě asi 920–950 stupňů Celsia v atmosféře oxidu uhelnatého. Nauhličovací plyny se čistí, aby se zabránilo usazování sazí na povrchu oceli, které by mohly narušovat absorpci uhlíku. Plynné prostředí se využívá při výrobě motorů. Během výrobního procesu je ocel obohacena uhlíkem do hloubky 2 mm. Proces obohacování lze rozdělit do několika fází:

• Umístění obrobků do pece vyhřáté na teplotu 950 stupňů.
• Dodávka plynu bohatého na uhlík.
• Uchovávání kovových polotovarů po dobu 12 hodin, v důsledku čehož se na povrchu oceli vytvoří vrstva o tloušťce až 1,2 mm. Pro urychlení procesu lze teplotu pecí zvýšit na více než 1000 stupňů.

Nauhličování, které zahrnuje ohřev oceli ve vakuovém prostředí. Proces zpracování probíhá následovně:

Ocelové polotovary jsou umístěny v peci, uvnitř které je vytvořeno vakuové prostředí.

Pec se zahřeje na předem stanovenou teplotu, při které se obrobky udržují asi hodinu. Poté začne do pece proudit uhlovodíkový plyn, který obohacuje horní vrstvy kovu.

Dále se v peci opět vytvoří vakuové prostředí.

Vrstvu požadované tloušťky lze získat pouze po třech podobných fázích.

Ocel se také chladí v peci pod vlivem inertních plynů.

Obrobky se umístí do roztoku elektrolytu, který se zahřeje na teplotu 450 – 1000 stupňů, načež se na něj přivede napětí až 300 voltů. Během takové expozice je kov obohacen uhlíkem.

K tomuto účelu se používá pevný karburátor. Při cementování za výrobních podmínek se používá směs dřevěného uhlí, které se získává z břízy a dubu, a soli kyseliny uhličité nasycené alkalickými kovy. Pro urychlení procesu obohacování je směs rozdrcena na jemnou frakci o velikosti 10 mm. Proces se provádí v následujícím pořadí:

• Připravená uhelná směs se nasype do krabic, kam se umístí i přířezy.
• Krabice se zataví, které se následně po určitou dobu ze všech stran zahřejí na teplotu 800 – 950 stupňů.

Doba zpracování závisí na tvrdosti ocelových obrobků.

Na obrobky se nanášejí pasty sestávající z uhelného prachu a poté se umístí do indukční pece, která se zahřeje na teplotu 1000 stupňů. Pasta se nanáší ve vrstvě, která je 8x silnější než zamýšlená uhlíková vrstva.

Výhody a nevýhody

Nauhličování umožňuje získat tvrdé povrchy odolné proti opotřebení používané jak v každodenním životě, tak ve výrobě. Ocelové mechanismy, které prošly procesem obohacování uhlíkem, jsou mnohem více chráněny před poškozením vlivem nárazového zatížení měkčím jádrem. Na rozdíl od jiných procesů povrchového kalení se tento proces obvykle používá k výrobě silnějšího uhlíkového filmu. Mezi nevýhody patří:

• Možná změna kovové konstrukce.
• Nauhličované výrobky vyžadují konečnou úpravu.
• Práce vyžaduje zkušenosti a velmi drahé vybavení.

Kovové dobrodiní doma

Pro práci doma se používá pevné médium. Nauhličování pomocí pevného média nevyžaduje nákup drahého zařízení a přítomnost specialisty se zkušenostmi v této oblasti. Pro provedení cementace je nutné vyrobit karburátor. Chcete-li to provést, můžete:

1. Smíchejte dřevěné uhlí (rozmělněte ho na přibližně stejné částice) se stejným množstvím soli.
2. Dřevěné uhlí se nejprve zalije slanou vodou a suší se.

Přířezy se pečou v žáruvzdorných krabicích, jejichž spáry a praskliny jsou utěsněny hlínou. Krabice se vloží do pece a rovnoměrně se zahřejí na teplotu 700 stupňů. Při nižších teplotách se proces obohacování několikrát zvyšuje.

Jaký je výsledek?

V důsledku nauhličení dosahuje hustota horní vrstvy kovu (nelegované slitiny) až 58 HRC a na nízkouhlíkových slitinách až 60 HRC. Díky tomu získávají výrobky požadovanou tvrdost, přičemž jejich jádro zůstává viskózní. Je třeba vzít v úvahu, že během procesu obohacování se může změnit struktura slitiny, a to je, jak bylo uvedeno výše, hlavní nevýhodou nauhličování. Pro vyrovnání této vlastnosti se nauhličované obrobky podrobují kalení, po kterém následuje popouštění nebo normalizace (v závislosti na typu oceli). Během procesu kalení vzniká ferit, který vede ke zjemnění struktury zrna. Aby se zabránilo povrchovým deformacím, provádí se nízkoteplotní temperování slitiny.

Slitiny měkké oceli, které byly nauhličovány, mají tvrdý povrch a měkké jádro. To znamená, že cementovaná měkká ocel je tvrdší, ale není křehká. Jádro si zachovává velkou část své tažnosti a pevnosti, když je chráněno tvrdým povrchem, a zároveň umožňuje výrobu dílů i velmi složitých tvarů (například vnitřní součásti strojů).

Zpevněný povrch vykazuje lepší odolnost proti opotřebení a únavě – nauhličované kovy vydrží vysoké zatížení a vydrží mnohem déle.

Vytvořte si na webu přihlášku, co nejdříve vás budeme kontaktovat a zodpovíme všechny vaše dotazy.