Cementace | Vzdělávací materiály

Chemicko-tepelné zpracování (CHT) je povrchové nasycení oceli odpovídajícími prvky pomocí jejich difúze v atomárním stavu z vnějšího prostředí za vysokých teplot.

Chemická reakce by měla být považována za fyzikální a chemický proces interakce kovu s plynným prostředím. Zahrnuje tři základní fáze:

1. vytvoření atomárního difuzního prvku;
2. jeho kontakt s povrchem ocelového výrobku a průnik do krystalové mřížky;
3. difúze atomů saturujícího prvku do hloubky kovu.

Hloubka průniku závisí na teplotě a době trvání procesů. K difúzním procesům dochází snadněji při tvorbě intersticiálních pevných roztoků (uhlík, dusík) ve srovnání se substitučními pevnými roztoky. V důsledku toho se v povrchové vrstvě mohou tvořit pevné roztoky různé koncentrace nebo chemické sloučeniny.

Účelem chemické úpravy je zvýšení pevnosti, tvrdosti, odolnosti proti korozi a opotřebení povrchové vrstvy. Hlavní typy chemického zpracování jsou cementace, nitridace, nitrokarburizace, kyanidace a boridace.

Cementace je proces nasycení povrchové vrstvy oceli uhlíkem.

Cementace se provádí při teplotách nad bodem Ac.₃ (930… 950 0 C), kdy austenit může rozpouštět uhlík ve velkém množství. Konečných vlastností je dosaženo kalením a nízkým popouštěním, prováděným po nauhličování.

K nauhličování se obvykle používají nízkouhlíkové oceli (0,10. 0,23 % C), které se prakticky nezpevňují kalením. Tloušťka tmelené vrstvy je obvykle 0,5. 1,8 mm. Koncentrace uhlíku v povrchové vrstvě by měla být 0,8. 1,2 %; tvrdost vrstvy 50…62 HRC.

Cementování lze provádět v pevném nebo plynovém karburátoru.

Cementování pevným karburátorem

Tento proces se provádí v dřevěném uhlí nebo uhelném polokoksu a rašelinovém koksu, do kterého se přidávají aktivátory. Široce používaný karburátor se skládá z dřevěného uhlí, 20. 35% BaCO₃ a 3,5 % CaCO₃, který se přidává, aby se zabránilo spékání částic karburátoru.

Díly určené k tmelení se po předběžném čištění ukládají do krabic. Na dno krabice se nalije a zhutní vrstva karburátoru o tloušťce 20-30 mm, na kterou se položí první řada dílů. Jsou pokryty vrstvou karburátoru o tloušťce 10. 15 mm a na ni je položena další vrstva dílů atd. Poslední řada dílů je pokryta vrstvou karburátoru o tloušťce 35. 40 mm. Krabice je uzavřena víkem, jehož okraje jsou potaženy ohnivzdornou hlínou nebo směsí jílu a říčního písku. Poté se krabice vloží do trouby. Zahřívání na cementační teplotu trvá 7 až 9 minut na každý centimetr minimální velikosti krabice. Doba výdrže může dosáhnout 14 hodin. Po cementaci se boxy ochladí na vzduchu na 400. 500 0 C a poté se otevřou.

Cementování oceli se provádí atomárním uhlíkem. Kyslík v boxu interaguje s uhlíkem v karburátoru a vytváří oxid uhelnatý CO (kvůli nedostatku kyslíku), který se v přítomnosti železa disociuje:

Tento atomární uhlík difunduje do austenitu. Přidání solí oxidu uhličitého aktivuje karburátor a obohatí atmosféru oxidem uhelnatým:

VaSO₃ + C -> BaO + 2CO.

Cementace plynem

Proces se provádí zahříváním produktu v prostředí plynů obsahujících uhlík. Jako karburátor se používá zemní plyn, který se skládá téměř výhradně z metanu (CH).₄) a směsi propan-butan, dále kapalné uhlovodíky (petrolej, benzen), ze kterých se pyrolýzou získává CO. Hlavní reakce pro získání atomového uhlíku jsou disociace oxidu uhelnatého nebo metanu:

V kontinuálních pecích pro cementaci se používá endotermická atmosféra sestávající z 95. 97 % endoplynu (20 % CO, 40 % H).₂ a 40 % N₂) a 3. 5 % zemního plynu.

Plynové nauhličování má oproti nauhličování v pevném nauhličovači řadu výhod: je možné získat danou koncentraci uhlíku ve vrstvě; doba trvání procesu je snížena; je zajištěna možnost kompletní mechanizace a automatizace procesu; Následné tepelné zpracování dílů je výrazně zjednodušeno, protože kalení lze provádět přímo z nauhličovací pece.

Cementování oceli: Proces, výhody a aplikace

Nauhličování oceli je proces tepelného zpracování, který impregnuje ocel uhlíkem v povrchové vrstvě, což výrazně zlepšuje její výkonnostní charakteristiky. Tato metoda se používá pro zvýšení tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a pevnosti materiálu při zachování vysoké plasticity a houževnatosti jádra. V tomto článku se budeme zabývat tím, co je nauhličování oceli, jak se tento proces provádí, jeho výhody a oblasti použití.

<strong>Co je cementování oceli?</strong>

Nauhličování oceli je proces difúzního sycení uhlíkem, při kterém se povrchová vrstva oceli obohacuje uhlíkem, což vede ke změně jejích vlastností. V důsledku nauhličování se kov stává tvrdším a odolnějším proti opotřebení, což je zvláště důležité pro díly pracující v podmínkách vysokého tření a zatížení.

Cementování oceli se provádí zahříváním materiálu v prostředí obsahujícím uhlík. Může to být uhlíkový plyn, uhlí nebo speciální uhlíkové soli. Proces se provádí v pecích při teplotě asi 900-950 °C a trvá několik hodin. Po nasycení se ocel kalí, aby se upevnily zlepšené vlastnosti.

<strong>Jak probíhá proces cementace?</strong>

Nauhličování oceli se skládá z několika fází:

1. Příprava materiálu
   V první fázi je ocel důkladně očištěna od nečistot, rzi a olejů. To je důležité, aby uhlík mohl účinně pronikat kovovým povrchem.
2. Topení v uhlíkovém prostředí
   Ocel se umístí do speciální pece, kde se zahřeje na vysokou teplotu (asi 900–950 °C). Toto prostředí obsahuje uhlík, který proniká do vrchní vrstvy kovu.
3. Difúze uhlíku
   Při zahřátí uhlík difunduje do kovu a proniká jeho povrchovou vrstvou. Tento proces vytváří na povrchu oceli vrstvu s vyšším obsahem uhlíku, která zvyšuje tvrdost a odolnost proti opotřebení.
4. Охлаждение a закалка
   Jakmile je ocel nasycena uhlíkem, je rychle ochlazena (kalena), aby se zajistily zlepšené vlastnosti. Pomáhá také zvýšit tvrdost povrchu.
5. Dovolená
   Po kalení se ocel obvykle popouští, aby se snížila křehkost a zlepšila se její tažnost. Povrchově kalená ocel se tak stává pevnější a odolnější proti opotřebení, přičemž si zachovává potřebnou pružnost.

<strong>Výhody nauhličování oceli</strong>

1. Zvýšená tvrdost a odolnost proti opotřebení
   Cementace výrazně zvyšuje tvrdost povrchu oceli, díky čemuž je odolná proti opotřebení a poškození. To je zvláště důležité pro díly pracující v podmínkách tření, jako jsou ozubená kola, hřídele a ložiska.
2. Odolnost proti korozi
   Nauhličování může zvýšit odolnost oceli vůči vlhkosti a agresivnímu prostředí, protože uhlík, který nasytí kov, může ovlivnit jeho odolnost proti korozi.
3. Zvýšená pevnost a odolnost
   Proces nauhličování zlepšuje výkonnostní charakteristiky oceli, zvyšuje životnost dílů a mechanismů z ní vyrobených.
4. Pružnost a plasticita jádra
   Jádro výrobku, nenasycené uhlíkem, si zachovává svou plasticitu, což pomáhá předcházet křehnutí a destrukci, zejména při silném mechanickém zatížení.
5. Úspory na materiálu
   Cementace umožňuje výrazně snížit cenu součásti, protože pro výrobu lze použít levnější typy oceli s nízkým obsahem uhlíku, které po cementaci získají potřebné výkonové charakteristiky.

<strong>Aplikace nauhličování oceli</strong>

Nauhličování oceli je široce používáno v různých průmyslových odvětvích, zejména:

1. Automobilový průmysl
   Nauhličování se používá k výrobě automobilových dílů, jako jsou hřídele, ozubená kola, spojky a další součásti, které podléhají silnému opotřebení.
2. Strojírenství
   Ve strojírenství se cementovaná ocel používá k výrobě různých mechanismů a zařízení, kde je důležitá vysoká pevnost a odolnost proti opotřebení.
3. Výroba nářadí
   Cementování je široce používáno při výrobě řezných a tvářecích nástrojů, jako jsou nože, vrtáky a razidla, protože tyto výrobky musí mít vysokou tvrdost a odolnost proti opotřebení.
4. Obranný průmysl
   Povrchově kalená ocel se také používá k výrobě dílů, které musí odolat velkému zatížení a být odolné proti opotřebení a poškození.
5. Energetika
   Povrchově kalená ocel se používá v energetických zařízeních, jako jsou turbíny, čerpadla a další díly podléhající opotřebení a mechanickému namáhání.

<strong>Druhy cementování</strong>

Existuje několik metod nauhličování oceli, které se liší zdrojem uhlíku a procesními podmínkami:

1. Cementace plynem
   V tomto procesu je uhlík dodáván ve formě uhlíkového plynu, jako je metan. Plynové nauhličování je v průmyslu široce používáno díky své účinnosti a schopnostem regulace nasycení uhlíkem.
2. Pevná cementace
   Tato metoda zahrnuje použití uhlíkových prášků, pevných uhlíkových materiálů nebo speciálních solí k impregnaci oceli uhlíkem. Proces se provádí v pecích s řízenou teplotou.
3. Kapalná cementace
   Při této metodě je kov nasycen uhlíkem v kapalném prostředí, jako jsou roztavené soli. Tato metoda vyžaduje přísnou kontrolu teploty a složení prostředí.

<strong>Závěr</strong>

Cementování oceli je vysoce účinný proces tepelného zpracování, který může výrazně zlepšit vlastnosti oceli, jako je tvrdost, odolnost proti opotřebení a pevnost, při zachování tažnosti jádra. Tato metoda se používá v celé řadě průmyslových odvětví včetně strojírenství, automobilového průmyslu, obrany a energetiky. Pochopení procesu a jeho charakteristik pomáhá optimalizovat výběr materiálu a vytvářet odolné a spolehlivé produkty.