Что такое науглероживание? - Определение, типы и процесс

Что такое науглероживание?

Науглероживание — это процесс поверхностного упрочнения, при котором углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали при температуре, достаточно высокой для изменения структуры зерен стали. Это изменение позволяет стали поглощать углерод. В результате получается износостойкий слой, который делает науглероживание идеальным процессом для производства прочных и безопасных металлов.

Науглероживание — это процесс термической обработки, при котором железо или сталь поглощают углерод, в то время как металл нагревается в присутствии углеродсодержащего материала, такого как древесный уголь или монооксид углерода. Цель состоит в том, чтобы сделать металл тверже.

В зависимости от количества времени и температуры пораженный участок может различаться по содержанию углерода. Более длительное время науглероживания и более высокие температуры обычно увеличивают глубину диффузии углерода.

Когда железо или сталь быстро охлаждаются путем закалки, более высокое содержание углерода на внешней поверхности становится твердым из-за превращения аустенита в мартенсит, в то время как ядро ​​остается мягким и прочным, как ферритная и/или перлитная микроструктура.

Этот производственный процесс можно охарактеризовать следующими ключевыми моментами:

• Применяется к заготовкам с низким содержанием углерода;
• Заготовки находятся в контакте с высокоуглеродистым газом, жидким или твердым;
• Он производит твердую поверхность заготовки; сердцевины заготовки в значительной степени сохраняют свою прочность и пластичность, а
• Твердость корпуса составляет до 0,25 дюйма (6,4 мм).

В некоторых случаях это служит средством от нежелательного обезуглероживания, которое произошло ранее в производственном процессе.

Метод науглероживания

Науглероживание стали включает термическую обработку металлической поверхности с использованием источника углерода. Науглероживание может быть использовано для увеличения поверхностной твердости низкоуглеродистой стали. Ранняя науглероживание использовала прямое нанесение древесного угля вокруг обрабатываемого образца, но современные методы используют углеродсодержащие газы или плазму.

Процесс зависит в первую очередь от состава окружающего газа и температуры печи, которую необходимо тщательно контролировать, поскольку тепло может также влиять на микроструктуру остального материала. В тех случаях, когда требуется большой контроль над составом газа, науглероживание может происходить при очень низком давлении в вакуумной камере.

Плазменная цементация все чаще используется для улучшения характеристик поверхности различных металлов, особенно нержавеющей стали. Процесс экологически чистый. Он также обеспечивает равномерную обработку компонентов сложной геометрии, что делает его очень гибким с точки зрения обработки компонентов.

Процесс науглероживания происходит за счет диффузии атомов углерода в поверхностные слои металла. Поскольку металлы состоят из атомов, тесно связанных в металлическую кристаллическую решетку, атомы углерода диффундируют в кристаллическую структуру металла и либо остаются в растворе, либо реагируют с элементами основного металла с образованием карбидов.

Если углерод остается в твердом растворе, сталь подвергают термообработке для ее упрочнения. Оба этих механизма упрочняют поверхность металла, первый за счет образования перлита или мартенсита, а второй за счет образования карбидов. Оба этих материала твердые и устойчивы к истиранию.

Газовая цементация обычно проводится при температуре от 900 до 950 °C.

При кислородно-ацетиленовой сварке науглероживающее пламя представляет собой пламя с низким содержанием кислорода, которое дает копоть и низкотемпературное пламя. Его часто используют для отжига металла, что делает его более ковким и гибким в процессе сварки.

Типы науглероживания

В прошлом, в зависимости от источника углерода, существовало три типа методов науглероживания:твердое науглероживание, жидкое науглероживание и газовое науглероживание. Соответственно используются древесный уголь, расплавленная соль и углеродосодержащие газы, такие как природный газ и пропан.

Обычно используются три типа науглероживания:

• Газовая науглероживание
• Науглероживающие жидкости
• Твердое науглероживание

Все три процесса основаны на превращении аустенита в мартенсит при закалке. Увеличение содержания углерода на поверхности должно быть достаточно высоким, чтобы получить мартенситный слой с достаточной твердостью, обычно 700 HV, чтобы обеспечить износостойкую поверхность.

Требуемое содержание углерода на поверхности после диффузии обычно составляет от 0,8 до 1,0 % С. Эти процессы можно проводить на различных углеродистых, легированных сталях и чугунах, в которых содержание углерода в массе не превышает 0,4. % и обычно менее 0,25%. Неправильная термическая обработка может привести к окислению или обезуглероживанию.

Хотя это относительно медленный процесс, науглероживание может использоваться как непрерывный процесс и подходит для поверхностного упрочнения в больших объемах.

1. Газовая цементация

При газовом науглероживании углеродистая сталь нагревается до температуры аустенизации в присутствии богатой углеродом атмосферы. Обычно используется газ-носитель, такой как эндотермический («эндо») газ, наряду с обогащением углеводородами (природный газ или пропан).

Компонент хранится в печи, содержащей метан или пропан с нейтральным газом-носителем, обычно смесью N2, CO, CO2, H2 и CH4. При температуре науглероживания метан (или пропан) разлагается на поверхности детали до атомарного углерода и водорода, при этом углерод диффундирует на поверхность.

Температура обычно составляет 925°C, а время науглероживания колеблется от 2 часов для корпуса толщиной 1 мм до максимум 36 часов для корпуса глубиной 4 мм. Закалочной средой обычно является масло, но это может быть вода, физиологический раствор, едкий натр или полимер.

2. Вакуумная цементация

Этот процесс науглероживания включает бескислородную среду низкого давления. В этом процессе используются газообразные углеводороды, такие как метан. Поскольку в окружающей среде отсутствует кислород, температуру науглероживания можно повышать, не беспокоясь об окислении. Чем выше температура, тем выше растворимость углерода и скорость диффузии, что сводит к минимуму время, необходимое для заглубления корпуса

3. Жидкая цементация

Жидкое цементирование — это процесс, используемый для поверхностного упрочнения стальных или железных деталей. Детали выдерживают при температуре выше Ac1 в расплавленной соли, которая вводит в металл углерод и азот или только углерод. Большинство жидких науглероживающих ванн содержат цианид, который вводит в корпус как углерод, так и азот.

Жидкости или цианиды науглероживают, помещая деталь в соляную ванну при температуре от 845 до 955 °С. Соль обычно представляет собой цианидно-хлоридно-карбонатную смесь и обладает высокой токсичностью. Соли цианидов вносят в поверхность небольшое количество азота, что дополнительно повышает ее твердость. Хотя это самый быстрый процесс науглероживания, он подходит только для небольших партий.

4. Твердое науглероживание (науглероживание в пакете)

Науглероживание в твердом или пакетном состоянии представляет собой процесс, при котором монооксид углерода, полученный из твердого соединения, разлагается на поверхности металла на образующийся углерод и диоксид углерода. Контейнеры для науглероживания изготавливаются из углеродистой стали, углеродистой стали с алюминиевым покрытием или жаропрочных сплавов железо-никель-хром.

Компоненты окружены науглероживающей средой и помещены в герметичный бокс. Средой обычно является кокс или древесный уголь, смешанный с карбонатом бария. Этот процесс на самом деле представляет собой процесс науглероживания газа, поскольку образующийся CO диссоциирует на CO2 и углерод, которые диффундируют на поверхность компонентов.

Температура обычно составляет от 790 до 845°C в течение времени от 2 до 36 часов. Науглероживание с набивкой является наименее сложным процессом науглероживания и поэтому остается широко используемым методом.

Азотирование азотом

Нитроцементацию проводят на аналогичном участке стали, хотя содержание углерода по массе может составлять 0,4-0,5%. Способ особенно подходит для упрочнения поверхности компонентов, требующих закаленного сердечника, таких как зубчатые колеса и валы.

Карбонитрация — это модификация газовой цементации, при которой аммиак добавляется к метану или пропану и является источником азота.

Часто задаваемые вопросы.

Что такое науглероживание?

Науглероживание — это случай процесса закалки, при котором углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали при температуре, достаточно высокой для изменения структуры зерен стали. Это изменение позволяет стали поглощать углерод.

Что такое процесс науглероживания?

Науглероживание — это термохимический процесс, при котором углерод диффундирует в поверхность низкоуглеродистой стали для увеличения содержания углерода до достаточного уровня, чтобы поверхность реагировала на термическую обработку и образовывала твердый износостойкий слой. Обычно используются три типа науглероживания:газовое науглероживание.

Какие существуют три типа науглероживания?

Исторически существует три типа методов науглероживания в зависимости от источника углерода:твердое науглероживание, жидкое науглероживание и газовое науглероживание. Соответственно используются древесный уголь, расплавленная соль и углеродсодержащие газы, такие как природный газ и пропан.

Какие существуют типы науглероживания?

Типы науглероживания

• Науглероживание упаковки
• Газовая науглероживание
• Вакуумная цементация
• Жидкая цементация

Какова цель науглероживания?

Цель этого процесса - сделать металл более твердым и управляемым. Твердость стали с низким содержанием углерода можно повысить за счет добавления углерода при определенной форме термической обработки. При успешном выполнении это может улучшить поверхностную твердость стали.

Почему сталь науглероживают?

Науглероживание увеличивает прочность и износостойкость за счет диффузии углерода на поверхность стали, создавая оболочку, сохраняя при этом значительно меньшую твердость сердцевины. Эта обработка применяется к деталям из низкоуглеродистой стали после механической обработки, а также к подшипникам, шестерням и другим компонентам из высоколегированной стали.

Что такое науглероживание и азотирование?

Азотирование и науглероживание являются двумя наиболее распространенными методами термообработки функциональных компонентов с поверхностным упрочнением. Основное отличие состоит в том, что при азотировании атомы азота диффундируют в поверхность обрабатываемых деталей, тогда как при науглероживании используется углерод.

В чем разница между цементацией и цементацией?

Цементное упрочнение — это процесс упрочнения только поверхности детали. Он также известен как науглероживание. В процессе науглероживания компонент с низким содержанием углерода помещается в печь с тщательно контролируемой углеродной атмосферой.

Какова температура цементации?

Печи науглероживания бывают газовыми или электрическими. Температура науглероживания варьируется от 870 до 940 ºC. Газовая атмосфера для науглероживания создается из жидких или газообразных углеводородов, таких как пропан, бутан или метан.

Что такое жидкое науглероживание?

Жидкое цементирование — это процесс, который обычно используется для деталей малого и среднего размера. В солевой ванне углерод, который должен диффундировать в заготовку, поступает из расплавленной соли, которая представляет собой смесь цианида натрия (NaCN) и хлорида бария (BaCl2).

Какую сталь можно науглероживать?

При такой низкотемпературной обработке микроструктура сердцевины не изменится. В то время как науглероживание используется в основном для низкоуглеродистых сталей и низколегированных сталей, азотирование используется для низкоуглеродистых сталей, легированных сталей, инструментальных сталей и нержавеющих сталей. Азотированные стали могут иметь превосходную износостойкость и твердость.

Что такое два шага к науглероживанию?

Хотя науглероживание в атмосфере состоит из нескольких этапов процесса, его можно упростить, включив в него два основных процесса:образование углерода в печи и диффузию углерода в заготовку. Первый обеспечивает атомы углерода, а второй определяет градиент концентрации углерода.

Почему BaCO3 добавляют в твердый науглероживатель?

«Процесс науглероживания часто проводится для упрочнения поверхности зубчатого колеса и кулачка или кулачка (Малау, В., 1999)». Для ускорения проникновения углерода в образец в процессе пенгарбонана необходимо добавлять другие элементы, такие как BaCO3, NaCO3 и другие.

Какой из следующих газов используется для газовой науглероживания?

Газовое науглероживание, включая процесс карбонитрации или газового азотирования с использованием газообразного аммиака (NH3), в результате которого выделяется азот, который проникает в стальной корпус и повышает твердость.

Какие металлы могут быть нитридами?

Алюминий, хром, молибден, титан, вольфрам и ванадий легко соединяются с азотом при высоких температурах с образованием нитридов соответствующих металлов. Низкоуглеродистые сплавы стали, содержащие эти металлы, обычно хорошо подходят для азотирования.

В чем разница между науглероживанием и карбонитрированием?

Основное различие между науглероживанием и нитроцементацией заключается в том, что науглероживание — это процесс упрочнения стальной поверхности с помощью углерода, а карбонитрация — это процесс упрочнения стальной поверхности с помощью углерода и азота.

Требуется ли термообработка после науглероживания?

Компонент может быть либо закален от температуры науглероживания, либо может быть повторно нагрет до соответствующей температуры аустенизации и закален. Прямая закалка менее трудоемка и дешева, но невозможна при пакетной цементации. Таким образом, науглероженные детали неизменно повторно нагреваются и закаляются.

Изменяется ли размер при науглероживании?

Практически невозможно подвергнуть заготовку науглероживанию без каких-либо изменений размеров. Величина этих изменений зависит от типа используемого материала, процесса науглероживания, которому подвергается материал, а также исходного размера и формы заготовки.

Что такое науглероживание?

Самый ранний метод цементации, при котором компоненты упаковывались в подходящую коробку вместе с углеродсодержащими материалами, такими как древесный уголь, копыта, шкура, животный жир и рог, и нагревались до температуры науглероживания.

Каким типом диффузии является науглероживание?

В процессе науглероживания диффузия углерода определяет градиент концентрации углерода и профиль твердости в случае заготовки. Хотя науглероживание — сложный процесс, его можно разбить на два основных этапа:образование углерода в печи и диффузия углерода в заготовку.

Вызывает ли термообработка усадку металла?

Экспериментальная работа была проведена на многих материалах, чтобы показать влияние термической обработки на изменение размера. Эффекты различны для каждого класса материала. Например, 3,15-дюймовый куб из инструментальной стали Д-2 при закалке увеличился на 0,08% в одном измерении, а в двух других уменьшился.

Почему происходит усиление защиты?

Цементное упрочнение — это метод обработки материала, который используется для повышения твердости внешней поверхности металла. Поскольку процессы закалки снижают формуемость и обрабатываемость, поверхностное упрочнение обычно выполняется после завершения большинства других производственных процессов.