Науглероживание стали графитом

Цементация стали в домашних условиях

Определенное воздействие на сталь позволяет изменить ее основные эксплуатационные свойства. Чаще всего проводится химико-термическое воздействие, которое называют цементацией стали. Она предусматривает как нагрев детали для перестроения его атомной решетки, так и внесение требуемых химических элементов. Цементация стали в домашних условиях графитом или другой средой еще несколько лет назад практически не проводилась, но сегодня это возможно. Рассмотрим особенности данного процесса подробнее.

Общие сведения о процессе цементации стали

Для того чтобы проводить подобную обработку металла в домашних условиях следует рассмотреть особенности термического воздействия на сталь подробнее.

Среди особенностей цементации выделим следующие моменты:

  1. Цементирование предусматривает нагрев изделий в жидкой, твердой или газовой среде, за счет чего изменяют эксплуатационные свойства поверхностного слоя.
  2. За счет проведения данной процедуры концентрация углерода повышается, что обеспечивает увеличение прочности и износостойкости стали.
  3. Специалисты рекомендуют цементировать низкоуглеродистые стали, которые имеют показатель концентрации углерода примерно 0,2%. Примером можно назвать лезвие ножа, которое изготавливают из стали невысокой стоимости.
  4. Нагрев детали может проводится до самых различных температур. Цементация металла в домашних условиях проходить при температуре около 500 градусов Цельсия, в цехах, оборудованных специальным оборудованием, этот показатель может достигать значения 1200 градусов Цельсия и выше. Отметим, что температура нагрева выбирается в соответствии с показателем концентрации углерода и других примесей.
  5. Рассматриваемый термический процесс изменяется не только химический состав стали, но и его атомную решетку и фазовый состав. По сути, поверхность получает те же характеристики, что и при закалке, но есть возможность их контролировать в узком диапазоне и избежать появления различных дефектов.
  6. Углерод проникает в структуру стали очень медленно. Поэтому, к примеру, цементация ножа в домашних условиях проходить со скоростью 0,1 миллиметра за 60 минут. Для того чтобы лезвие ножа выдерживало механическое воздействие придется провести упрочнение слоя толщиной около 0,8 миллиметра. Этот момент определяет, что термообработка ножа или цементация вала в домашних условиях займет не менее 8 часов, на протяжении которых нужно выдерживать требуемую температуру.

Цементация нержавеющей или другой стали более сложный процесс, в сравнении с закалкой, но позволяет достигнуть более высоких эксплуатационных качеств.

Классификация среды, в которой проходит цементация стали

Науглероживание ножа или другого изделия может проходить в следующих средах:

  1. Твердой.
  2. Газовой.
  3. В виде пасты.
  4. Растворе электролита.
  5. Кипящем слое.

Цементация металла в домашних условиях графитом проводится чаще всего. Наибольшее распространение получила твердая среда по причине того, что не нужно обеспечивать высокую герметичность печи.

Газ применяется преимущественно в промышленном производстве, так как позволяет достигнуть требуемых результатов за минимальный период.

Процесс цементации стали своими руками

При наладке процесса химико-термической обработки в домашних условиях выбирают метод цементации в твердой среде. Это связано с существенным упрощение задачи по оборудованию помещения. Как правило, твердый карбюризатор делается при использовании смеси бария или кальция с древесным углем, а также углекислого натрия. Соль измельчается до состояния порошка, после чего пропускается через сито.

Цементация стали в твердом карбюризаторе

Рекомендации по созданию твердой смеси следующие:

  1. Первый метод заключается в использовании соли и угля, которые тщательно перемешиваются. Если использовать не однородную смесь, то есть вероятность образования пятен с низкой концентрацией углерода.
  2. Второй метод предусматривает применение древесного угля, которые поливается сверху солью, растворенной в воде. После этого уголь сушится до получения смеси с показателем влажности около 7%.

Для ножа и других изделий больше всего подходит второй метод получения карбюризатора, так как он позволяет получить равномерную смесь. Цементация стали в домашних условиях графитом также предусматривает создание смеси при применении нескольких технологий.

Цементация проводится в специальных ящиках, которые наполнены подготовленным карбюризаторов. Конструкция должна быть герметичной, для чего проводится заделывание щелей глиной. Достигать высокой герметичности рекомендуется по причине того, что при нагревании карбюризатора выделяются газы, которые не должны попасть в окружающую среду. Сам ящик следует изготавливать из жаропрочной стали, которая выдержит воздействие высокой температуры.

Процесс по проведению цементации стали в ящике в домашних условиях имеет следующие особенности:

  1. Деталь укладывается в ящик со смесью. Толщина слоя твердого карбюризатора выбирается в зависимости от размеров заготовки.
  2. Устанавливается печь.
  3. Начальный прогрев печи проводится до температуры 700 градусов Цельсия. Данный нагрев называют сквозным. Однородность цвета стали, из которого изготавливается ящик, говорит о возможности перехода к следующему этапу.
  4. Следующий шаг заключается в нагреве среды до требуемой температуры. Важно обеспечить равномерный нагрев поверхности деталей сложной формы, так как могут возникнуть существенные проблемы при неравномерном перестроении атомной структуры.
Читать еще:  Марганцовистые стали марки

Цементация стали в ящике в домашних условиях

Сегодня есть возможность провести подобную процедуру и в домашних условиях, но возникают трудности с достижением требуемой температуры.

Отсутствие необходимого оборудования приводит к существенному снижению качества получаемых изделий, а также увеличения времени выдержки.

Применение газа

В массовом производстве используется газовая среда. Проводить насыщение поверхности углеродом можно только при использовании герметичной печи. Наиболее распространенным составом газовой среды можно назвать вещества, получаемые при разложении нефтепродуктов.

Газовая цементация стали

Процедура имеет следующие особенности:

  1. Следует использовать конвейерные печи непрерывного действия с повышенной изоляция рабочей среды. Они очень редко устанавливаются в домашних условиях по причине высокой стоимости.
  2. В печь помещают заготовки, после чего проводится нагрев среды до требуемой температуры.
  3. После нагрева печи до требуемой температуры подается газ.

Преимуществ у подобной технологии довольно много:

  1. Нет необходимости в длительной подготовке газовой среды.
  2. Процесс предусматривает малую выдержку, что снижает затраты на поддержание температуры.
  3. Оборудование компактное, не занимает много места.

Однако есть существенный недостаток, который заключается в отсутствии возможности установки оборудования и налаживания процесса в домашних условиях. Рентабельность цементации в домашних условиях при установке подобного оборудования обеспечивается только при существенном увеличении обрабатываемых партий.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Науглероживатель: уникальные свойства, огромный потенциал

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.

Читать еще:  Стали аустенитного класса марки

Цементация

Цементацией называется процесс насыщения по­верхностного слоя стальных изделий углеродом. Цемен­тация осуществляется с целью получения высокой твер­дости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойко­сти и предела выносливости.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагру­зок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т. д.).

Для цементации детали поступают после механиче­ской обработки с припуском на шлифование 0,05— 0,10 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), наносимым электро­литическим способом, или специальными обмазками, со­стоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементация осуществляется при температурах 900—950°С. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементация. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на по­верхности стали и диффундирует в глубь металла. В ре­зультате цементации содержание углерода в поверхност­ном слое составляет 0,8—1,0%. Более высокая концент­рация углерода способствует охрупчиванию цементован­ного слоя.

Цементованный слой имеет переменную концентра­цию углерода по толщине, которая уменьшает­ся от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоя­щую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.

За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства стаей составляет 0,8—1,4 мм.

Различают два вида цементации: твердую и газовую. Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.

Цементация в твердой среде

Карбюриза­тором является активированный древесный уголь (дубо­вый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы — углекислый барий, кальцинированную соду, поташ.

Подготовленные для цементации изделия укладыва­ют в металлический ящик. Предварительно в ящик насы­пают слой карбюризатора 20—30 см. Детали укладыва­ют слоями на расстоянии 10—15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей и т. д. Послед­ний слой засыпают карбюризатором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кла­дут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900—950°С.

В ящике между кусочками угля имеется воздух, кис­лород которого взаимодействует с углеродом карбюри­затора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с по­верхностью деталей, окись углерода диссоциирует.

Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. Добавление углекислых солей активизи­рует процесс цементации.

Продолжительность выдержки в печи при температу­ре цементации зависит от требуемой толщины цементо­ванного слоя. На практике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5-10,4 ч.

Для контроля над протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями заклады­вают «свидетели» – образцы диа­метром 10—15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. Во время цементации «свидетели» периоди­чески вынимают, ломают и по излому определяют тол­щину цементованного слоя.

Повышение температуры цементации до 950—1000° С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

Ящики после цементации охлаждают на воздухе и по­том разбирают. Участки изделия, не подлежащие цемен­тации, защищают, нанося гальваническое покрытие медью. После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпе­ратурному отпуску.

Структура сердцевины зависит от состава стали и ре­жима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных — из малоуглеродистого мартенсита.

В настоящее время газовая цементация является основным процессом це­ментации на заводах массового производства. При газо­вой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обра­ботка и, самое главное, можно получить заданную кон­центрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия. При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т. д. В печах непрерывного действия чаще используют ме­тан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.

Читать еще:  Какую сталь называют кипящей

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углерод­ный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим полу­чение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3— 1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).

С этой целью в первую зону, занимающую примерно 2 /3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природ­ного (10—15%) и эндотермического (90—85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, на­ходящийся в равновесии с заданной концентрацией угле­рода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диффузии углерода в глубь металла и взаимодействия поверхности детали с эндотермической атмосферой концентрация уг­лерода на поверхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементован­ного слоя.

После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850—830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при тем­пературе 160—180° С.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Науглероживание – металл

Дуговая сварка ау-стенитных сталей электродами с основным покрытием приводит к науглероживанию металла шва , что вызывает снижение стойкости его против межкристаллитной коррозии. Науглероживание происходит за счет разложения мрамора, который содержится в большом количестве в этом покрытии. [31]

В этом случае СаСО3 выступает как окислитель, а иногда вызывает науглероживание металла 40, 108 ]: диссоциация этого соединения на СО2 и СаО и дальнейший частичный распад углекислого газа в дуге приводит к образованию свободных углерода и кислорода. [32]

Быстродействие имеет существенное значение и для качества выплавляемой стали за счет уменьшения науглероживания металла вследствие сокращения длительности соприкосновения конца электрода с поверхностью расплавленного металла или шлака. [33]

Опыт эксплуатации показал полную безопасность работы печей с графитовыми тиглями и отсутствие науглероживания металла , если процесс ведется так, чтобы гарнис-саж не размывался. [35]

В процессе термической обработки коррозионностойких сталей необходимо использовать атмосферы в печи, предупреждающие науглероживание металла и тщательную очистку или отказ от применения науглероживающих органических смазок. Поверхностная обработка деталей из коррозионностойких сталей может оказывать заметное влияние на склонность к МКК в результате создания или устранения наклепа поверхности. Более высокая стойкость против МКК достигается на сталях со шлифованной поверхностью по сравнению с травленой. [36]

Таким образом, предлагаемая методика является частью ком – плексных исследований влияния степени науглероживания металлов реакторов коксования на их долговечность и надежность в реальных условиях эксплуатации. [37]

В результате выгорания железа жидкий расплав под шлаковой пленкой обогащается углеродом, который служит источником науглероживания металла реза . Часть обогащенного углеродом расплава уносится со шлаками в виде корольков. [38]

Другой важный параметр процесса – сила тока – не оказывает столь существенного влияния на степень науглероживания металла поверхности реза . [39]

Жидкие металлы IV группы хорошо растекаются по графиту, при этом происходит пропитка пористого графита, науглероживание металла и образование карбидного слоя на Межфазной границе. Как показали опыты с жидким титаном, объем пор оказывает влияние на науглероживание только в первые моменты взаимодействия, а затем скорость науглероживания металла для графита с разной пористостью становится одинаковой. Процесс науглероживания жидкого титана, циркония и гафния ( вблизи точки плавления) проходит в две стадии. Скорость первой стадии определяется диффузией углерода в металл. При достижении концентрации углерода, близкой к равновесной, на графите начинает образовываться слой карбида – вторая стадия процесса науглероживания. [41]

Газовая сварка п сварка угольным электродом не рекомендуется ввиду ряда существенных недостатков и прежде всего опасности науглероживания металла шва и околошовной зоны. [42]

При сварке расплавленный металл сварочной ванны контактирует с пламенем, в результате может иметь место окисление или науглероживание металла , выгорание углерода, марганца и кремния. Металл может кипеть с разбрызгиванием, образовывать пористость, шлаковые включения. Для уменьшения химического воздействия пламени на металл необходимо поддерживать состав горючей смеси в соответствии с техническими рекомендациями. [44]

Производство нержавеющих сталей с очень низким содержанием углерода в дуговых электропечах вызывает известные трудности, так как возможно науглероживание металла графитовыми электродами. [45]

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector