No Image

Можно ли цементировать сталь 45

СОДЕРЖАНИЕ
660 просмотров
15 ноября 2019

Термообработка стали 45, так же как и термическая обработка любой другой марки стали выполняется для улучшения технических характеристик данного материала. Такая обработка подразумевает первоначальный нагрев металла и последующее его охлаждение. Собственно, в зависимости от времени нагрева материала и скорости охлаждения, термообработка стали 45 и других марок подразделяется на 3 последовательно выполняемых операции:

  1. Отжиг стали 45
  2. Закалка стали 45
  3. Отпуск стали 45

Отжиг стали 45 — это нагрев материала в специальной печи до очень высокой температуры и последующее его охлаждение, которое выполняется естественным образом, то есть вместе с печью. Существует отжиг первого рода, при котором нагрев идет до критических значений, но не превышает их. Также существует и отжиг второго рода, при котором температура уже превышает критическую отметку и приводит к некоторым изменениям в структуре.

Так или иначе, любой из данных способов позволяет избавиться от неоднородности состава, а также снять внутреннее напряжение материала и достичь зернистой структуры. Кроме того, проведение отжига стали 45 поможет снизить твердость сплава, что значительно облегчит в дальнейшем процесс переработки. Примечательно, что отжиг второго рода подразделяется на несколько следующих категорий, различающихся по их назначению и исполнению:

  • диффузионный отжиг
  • полный отжиг
  • неполный отжиг
  • изотермический отжиг
  • рекристализационный

Как правило, для углеродистых сталей применяется полный отжиг. Суть данной технологии состоит в том, что заготовки нагреваются до температуры, которая превышает критическую отметку (верхняя точка Ас3) примерно на значение от +30°С до +50°С. После этого сталь 45 охлаждают с медленной скоростью от +150°С до +200°С до тех пор, пока ее температура не сравняется со значением температуры в рабочем интервале от +500°С до +550°С.

Кстати говоря, при отжиге первого и второго рода охлаждение материала происходит в печи, в которой был произведен нагрев. Если же процесс охлаждения производят уже на открытом воздухе, то такая технология будет называться не отжиг стали 45, а нормализация. Поскольку при нормализации стали охлаждение происходит быстрее, перлит получает тонкое строение и наибольшую твердость. Поэтому нормализованная сталь тверже отожженной.

Закалка стали 45

В целом, отжиг стали или же ее нормализация являются подготовкой сплава к последующим процессам термообработки. Вторым по счету процессом обработки идет закалка стали 45. С виду может показаться, что этот этап полностью дублирует отжиг и нормализацию: Закалка стали 45 также состоит из двух основных технологических операций: нагрева и охлаждения. Однако у него имеются свои довольно важные отличительные характеристики.

Если быть точнее, то этой важной отличительной чертой будет скорость охлаждения стали. В случае с закалкой стали 45 заготовка сперва нагревается до температуры, которая превышает критическую. После этого сталь будет сразу же охлаждена в специальной жидкости. В роли такой жидкости может выступать чистая вода, вода с растворами солей, вода с содержанием в составе 5%-й каустической соды, либо же различные минеральные масла (рис. 1)

Рисунок 1

Закалка стали 45 в воде производится при температуре жидкости от +20°С до +30°С. Если в качестве закалочной среды используют раствор каустической соды, то его температура будет составлять от +50°С до +60°С. Температура закалки стали 45, при которой этот материал помещают в охлаждающую жидкость, составляет от + 820 °С до + 860°С. Визуально подобные температуры соответствует диапазону от светло-красного до темно-оранжевого цвета.

Н агрев стали до этих значений обычно выполняется в специальных печах. Но в некоторых случаях также применяется закалка стали 45 токами высокой частоты (ТВЧ). Между этими двумя методами существует разница в о времени выдержк и заготовки. Это обусловлено тем, что данные установки имеют раз лич ные режимы нагрева. При этом с помощью ТВЧ сталь 45 будет нагрета за более быстрый промежуток времени в сравнении с обычной печью.

Устройство для нагрева стали

Температура нагрева стали

От +820°С до +860°С

От +880°С до +920°С

Несмотря на то, что при использовании ТВЧ нагрев стали 45 нужно выполнять до чуть более высоких температур, как такового перегрева материала не происходит. Размер и структура у зерна остается прежним, так как для нагрева через ТВЧ требуется намного меньше времени. Кстати говоря, с помощью проведения закалки токами высокой частоты, твердость стали 45 возрастает по шкале Роквелла (HRC) возрастает приблизительно на 2-3 единицы.

При нагреве стали 45 до температуры, превышающей критическое значение на отметку в +30°С — +50°С, материал достигнет своего аустенитного состояния. Иначе говоря, атомная решетка железа (Fe) изменит объемно-центрированн ой вид на решетку гранецентрированной формы. У глерод (С), содержащийся в перлит е как кристалл ы соединения Fe 3 C (цементита) примет вид твердого раствора — атомы внедрятся в гранецентрированную решетку.

После помещения раскаленного материала в охлаждающую ванну для закалки, температура стали 45 очень быстро понижается до значения комнатной от +20°С до +25°С. Само собой, в связи с этим в структуре сразу происходит процесс обратной перестройки атомной решетки металла — из гранецентрированной она возвращается в исходную объемно-центрированную. Именно это и придает итоговому материалу высокую твердость и прочность.

Дело в том, что при комнатной температуре рабочей среды атомы будут иметь крайне малую степень подвижности. Поэтому при резком охлаждении они попросту не успевают выйти из состояния раствора и образовать цементит. Получается, что сам углерод силой удерживается в решетке железа, тем самым образовывая перенасыщенный твердый раствор. В решетке при этом создается избыточное внутреннее напряжение от атомов углерода.

Читайте также:  Патрон быстрозажимной для сверлильного станка

Они попросту распирают решетку, за счет чего она вытягивается вдоль одного направления. Таким образом, все ячейки из кубической формы переходят в тетрагональную. Иначе говоря, ячейки решетки образуют форму прямоугольной призмы (рис. 2). Естественно, это влияет на структуру материала, которая становится игольчатой. Подобную игольчатую конфигурацию у материала принято называть специальным термином — мартенсит.

Рисунок 2

Сами кристаллы мартенсита имеют вид пластин с небольшой толщиной. Если рассматривать данные пластины в поперечном сечении микрошлифа, то они будут иметь форму игл. Кстати, раствор мартенсит отличается достаточно высокими показателями по твердости и прочности. В первую очередь, это объясняется тем, что удельный объем мартенсита будет чуть больше в сравнении с удельным объемом аустенита, из которого он образован.

Это объясняется тем, что образование самого мартенсита обуславливается возникновением в кристаллах мартенсита множества дислокаций, которые образуются за счет большого числа внутренних напряжений. Напряжения вызваны тем, что возникающая пластина мартенсита воздействует на аустенит, который, в свою очередь, отвечает уже обратным сопротивлением к мартенситу, создавая тем самым ответное давление к данной пластине.

Таким образом, при попытке деформировать закаленную сталь с мартенситной структурой, можно встретить серьезное препятствие. Этим препятствием будут движущиеся в различных направлениях дислокации, которые взаимно блокируют друг друга, не давая перемещаться. Именно эти препятствия передвижения дислокаций увеличивают сопротивление деформации материала, соответственно, увеличивая степень твердости и прочности.

Кроме того, с учетом воздействия внутренних напряжений, кристаллы мартенсита образуют раздельные блоки (рис. 3). При этом те плоскости, которые должны быть параллельными в пределах одного кристалла, на самом деле имеют искажение под небольшим углом. Но такие искажения у атомной решетки как раз и оказывают препятствие к перемещению дислокаций. За счет этих особенностей мартенсита сталь и имеет высокую прочность.

Рисунок 3

Отпуск стали 45

Отпуск стали 45 производят сразу после этапа закалки. Эта разновидность термообработки нужна для того, чтобы существенно уменьшить или полностью снять остаточное напряжение в материале, которое появилось после изменения структуры посредством его закаливания. В целом, отпуск стали 45 позволяет также повысить вязкость заготовок и уменьшить степень их хрупкости. Однако этот процесс немного уменьшает твердость стали.

Технология процесса отпуска стали 45, в зависимости от температуры, выполняется через:

  • печи с принудительной циркуляцией воздуха;
  • специальные ванны с селитровым раствором;
  • специальные ванны с минеральным маслом;
  • ванны, заполненные расплавленной щелочью.

Принцип отпуска стали 45 состоит в том, что материал первоначально нагревают до отметки ниже, чем критический уровень, а после этого охлаждают. Однако такой режим термической обработки имеет несколько различных способов проведения, которые будут отличаться друг от друга в зависимости от скорости охлаждения заготовки и температуры её нагрева. Отпуск углеродистых сталей принято классифицировать на 3 следующие категории:

  1. Высокий. Температура нагрева стали составит от +350°С до +600°С до критической отметки. Как правило, такой метод используют для металлических конструкций.
  2. Средний. Температура обработки составляет от +350°С до +500°С. Этот способ по большей части используется для пружинных изделий и рессор.
  3. Низкий. Температура нагрева заготовки не превышает +250°С. Подобный способ принято задействовать для достижения высокой прочности и износостойкости.

Таблица значений термической обработки стали 45

Фирма ООО «РИПП», имеющая производственные площади в СПБ, выполняет широкий диапазон работ, связанных с металлом. Наше предприятие осуществляет его обработку и производит большое количество различных деталей, например, таких как втулки, пальцы, валы и многое другие. Эти комплектующие используются как в обычных автотранспортных средствах, так и в спецтехнике, ремонтом которой мы занимаемся. Для того чтобы подобная техника надежно функционировала, зачастую необходимы металлические детали, изготовленные из специально подготовленного металла. У нас имеется все необходимое оборудование, применяемое для такой операции как термическая обработка металлов. Мы также выполняем химико-термическую обработку металлических деталей. Одной из ее разновидностей является цементация стали. Наше предприятие работает со сталью: марка 45, марка 40х, марка 20 и некоторыми другими. Любой клиент может приобрести у фирмы металлические детали, изготовленные из качественного материала.

Цементация стали – суть процесса

Химико-термический способ обработки стали представляет собой изменение состава материала в определенном слое. Именно к данному способу и относится цементация стали. По своей сути этот процесс обработки стали заключается в обогащении ее поверхности определенным количеством углерода при нагревании в некоторой химической среде. Посредством этой методики получают изделие с набором весьма полезных свойств – твердый поверхностный слой на мягком внутреннем. Таким образом, мягкий сердцевинный слой достаточно хорошо сопротивляется ударным воздействиям, а внешний слой детали, наоборот, обладает хорошей твердостью и повышенной износоустойчивостью. Идеальное сочетание, которое позволяет деталям, изготовленным по этому методом, работать долгое время и быть очень надежными.

Особенно эффективен процесс цементации стали в тех случаях, когда обогащаются именно низкоуглеродистые ее виды. Как правило, в таком металле содержится не больше 0,2% углерода. Впрочем, для среднеуглеродистых марок стали данная процедура также приносит положительные результаты. Технологический процесс относительно прост: в специальной камере создается особая среда, способная при нагревании до некоторой температуры (приблизительно в диапазоне от 850°С до 950°С) выделять большое количество активного углерода. Следует отметить, что цементация стали – это довольно длительный техпроцесс. Обычно скорость насыщения металлической поверхности, при которой она обретает специфические свойства, равняется примерно 0,1 мм за 1 час. Для качественной обработки изделия и надежной его работы необходим цементирующий слой равный приблизительно 0,8 мм или более. А, следовательно, для эффективной цементации стали потребуется не меньше 8 часов. Основными средами (или как их еще называют карбюризаторы) для этого техпроцесса являются:

  • твердая среда;
  • газовая среда;
  • пастообразная среда;
  • среда, состоящая из растворов электролитов;
  • кипящий слой.
Читайте также:  Мотоблок работает с перебоями и глохнет

Наиболее востребованной считается цементация стали в твердом карбюризаторе и газовой среде.

Основным элементом твердой среды обычно является древесный уголь, как правило, дубовый или березовый. Он измельчается до мелких фракций длиной примерно от 0,3 до 1 см. К ним может добавляться углекислый натрий, барий или кальций. Эти соли также нужно предварительно измельчить до порошкообразной массы. Смесь под действием температур выделяет необходимые для процесса цементации вещества.

Газовая цементация стали – наиболее эффективный вариант для массового обогащения металлических деталей активным углеродом. Данный техпроцесс выполняется в герметически закрытых специальных печах в среде углеродосодержащих газов, причем как искусственных, так и природных. Наиболее востребованным и доступным искусственным газом считается газообразное вещество, получаемое при пиролизе нефтепродуктов. Например, одним из методов цементации стали в газообразной среде является следующий процесс: в герметически закрытую нагретую емкость закачивают керосин. В результате пиролиза, то есть под действием определенной температуры, он распадается на смесь газов, которые выступают в качестве активного материала для обогащения поверхности.

Термообработка цементованных изделий

Хотя цементация стали и является очень важной процедурой, позволяющей наделить металлические изделия определенным запасом прочности и износоустойчивости, эти свойства можно усилить. Термообработка цементованных изделий – вот дополнительный источник повышения качества и надежности обрабатываемых деталей. Таким образом, в некоторых случаях в качестве финального этапа обработки используют работы по закалке и отпуску. Технологический процесс закаливания цементованного изделия отличается от закалки обычного целым рядом особенностей. Весь техпроцесс цементации стали заключается в наращивании зерна, однако его формирование по сечению неоднородно и распределяется неравномерно. В связи с этим и выполняется сразу несколько этапов закаливания, каждый из которых осуществляется в определенном температурном режиме. После завершения процедуры закалки изделие становится еще более твердым и износостойким.

Для получения дополнительной информации, позвоните менеджеру по телефону (812) 507-84-85

В основе процесса цементации заложен принцип химической и термической обработки металла. Вся суть процедуры в насыщении поверхности стали необходимым количеством углерода при определенных температурных условиях.

Несколько лет назад эту процедуру в домашних условиях было практически невозможно реализовать. Сегодня это возможно с использованием среды графита или их аналогов. Главное — это желание и некоторые знания.

Общая информация о процессе

В первую очередь необходимо понимать основы термической обработки стали.

К особенностям цементации металла относят следующие факторы:

  1. Благодаря процедуре цементируемые стали становятся прочнее, что повышает износостойкость и прочность материала;
  2. Свойства эксплуатации металла изменяются за счет нагрева изделий в жидкости, газовой или твердой среде, что улучшает ее характеристики;
  3. Нагревание деталей можно до разных температур, нет ограниченной константы и точных рекомендаций. В домашних условиях процесс цементации проходит при температуре 500 градусов по Цельсию. В промышленных условиях с использованием профессионального оборудования температура нагрева в печи достигает более 1300 градусов по Цельсию. Следует знать, что температуру выбирают, учитывая концентрацию примесей и углерода.
  4. Профессионалы рекомендуют в домашних условиях цементировать низкоуглеродистые виды стали (приблизительно 0,2%). Например, лезвие от недорогого кухонного ножа, изготовленного из стали или небольшие детали.
  5. В структуру стали углерод проникает довольно медленно. Поэтому цементация лезвия ножа в условиях домашней процедуры происходит со скоростью не более 0,1 мл в час. Чтобы это же лезвие выдерживало более сильные нагрузки, нужно усиливать слой толщиной до 0,8 мл в час. Еще важно понимать, что цементация ножа или небольшого вала в условиях домашнего цеха займет минимум восемь часов. При этом следует удерживать определенную температуру в печи, чтобы не нарушить температурный режим.
  6. В процессе цементации изменяется не только свойство металла, но и его фазовый состав и атомная решетка. В целом поверхность получает такие же характеристики, как и при закалке, но при этом существует возможность контроля в узком диапазоне температур, чтобы избежать различных дефектов материала.

Осуществить цементацию нержавеющий стали немного сложнее, но в то же время это качественно улучшит характеристики этого вида металла.

В какой среде возможна цементация стали

Процесс закалки проходит в различных условиях среды:

  • в твердой;
  • в газообразной;
  • в растворе электролита;
  • в виде специальной пасты;
  • в кипящем слое.

Чаще всего в условиях домашнего цеха проводится цементация стали графитом. Это сильно упрощает процесс, так как не нужно дополнительно еще заботиться о сильной герметичности печи.

В промышленном производстве чаще всего используют газ, так как этот способ сокращает время, затраченное на закалку.

Разновидности металла, который можно обрабатывать

Выделяют три основные группы металла, который используется для закалки:

  1. Сталь с неупрочняемой сердцевиной. В эту группу входят следующие марки стали, пригодной для цементирования — 20, 15 и 10. Эти детали имеют небольшой размер, используются для эксплуатации в бытовых условиях. Во время закалки происходит трансформация аустенита в феррито-перлитную смесь.
  2. Сталь со слабо упрочняемой сердцевиной. В эту группу вошли металлы таких марок, как 20Х, 15Х (хромистые низколегированные стали). В этом случае проводят дополнительную процедуру лигирования с помощью небольших доз ванадия. Это обеспечивает получение мелкого зерна, что приводит к получению более вязкого и пластичного металла.
  3. Сталь с сильно упрочняемой сердцевиной. Этот вид металла используют для изготовления деталей со сложной конфигурацией или большим сечением, которые выдерживают различные ударные нагрузки, подвергаются воздействию переменного тока. В процессе закалки вводится никель или при его дефиците используют марганец, при этом для дробления зерна добавляют малые дозы титана или ванадия.
Читайте также:  Заточка коньков в казани

В целом процесс цементации стали необходим для улучшения износостойкости и прочности деталей.

Чаще всего цементации подвергаются валы, оси, лезвия ножей, детали подшипников и зубчатые колеса.

Как происходит цементация стали в твердой среде на предприятии и в условиях домашнего цеха?

Смесь для твердой цементации готовится из бария, кальция с древесным углем и углекислого натрия. Уголь лучше брать из дуба или березы и разделить его небольшие фракции, не более десяти миллиметров. Чтобы удалить лишнюю пыль, уголь рекомендуют просеять. Соли тоже измельчают до состояния порошка и пропускают через сито.

Существует две методики для приготовления смеси:

  1. Уголь из дерева поливают солью, которую предварительно растворяют в воде. Получившуюся смесь высушивают, ее влажность должна быть не более 7%.
  2. Сухой уголь и соль тщательно перемешивают, чтобы исключить возможность появления пятен уже в процессе химической и термической обработки.

При этом, первая методика считается более качественной. Так как она гарантирует, что смесь выйдет равномерной, а результат без пятен и разводов. Готовую смесь еще называют карбюризатором.

Сам процесс твердой цементации проходит в специальных ящиках, где насыпана смесь в нужном количестве. Идеально, если ящики соответствуют размеру и форме изделия, которое обрабатывают. Так как в этом случае снижаются затраты времени на прогрев тары, а качество слоя цементации улучшается. Для избежания утечки газа щели замазывают специальной огнеупорной глиной и накрывают все плотно прилегающей крышкой.

Следует обратить внимание, что изготавливать тару, идеально подходящую, экономически выгодно, если речь идет о конвейерной процедуре. Если же нужно одну или две детали закалить, то лучше выбрать тару универсальной формы — квадратную, круглую или прямоугольную.

Ящики выбирают из малоуглеродистой или жаростойкой стали.

Сам процесс цементации в твердой смеси проходит следующим образом:

  • детали, которые необходимо закалить, равномерно укладываются в ящики, наполненные твердым карбюризатором;
  • печь разогревают до 900−1000 градусов и подают в нее тару с изделиями;
  • прогрев ящиков проходит при температуре от 500 до 700 градусов. Этот прогрев называют сквозным. Сигналом, что печь накалилась до нужной температуры служит однородный цвет подовой плиты, на ней больше нет темных участков под ящиками;
  • температуру поднимают до 900 или 1000 градусов по Цельсию.

Именно при таком температурном режиме происходят диффузные изменения в структуре деталей на уровне атомов.

В домашних условиях достаточно сложно нагреть печь до нужной температуры и выдержать весь температурный режим от начала и до конца. При этом все возможно. Следует помнить, что эффективность домашней цементации намного ниже, чем промышленной.

Цементуемые стали с помощью газа

Впервые цементацию стали газом осуществили на Златоусовском комбинате под бдительным руководством П. Аносова. Этот эффективный способ разработали В. Просвирин, С. Ильинский и Н. Минкевич.

Суть процесса достаточно проста — металл цементируется под влиянием углеродсодержащего газа (природного, искусственного или генераторного) в герметически закрытой печи.

Самый доступный и часто используемый газ — это состав, который получают при разложении нефтепродуктов.

Его изготавливают следующим способом:

  • в специальную емкость из стали наливают керосин, нагревают до процесса пиролиза — разложения керосина на смесь из нескольких газов;
  • примерно 60% этого газа модифицируют и делают подходящим для цементации.

Смесь из модифицированного газа и чистого пиролизного газа используют для цементации. Необходимость модификации части газа вызвана тем, что от использования чистого пиролизного газа на стали получается недостаточная цементация, а на некоторых деталях может оседать немного сажи, которую сложно удалять.

Сам процесс цементации стали с помощью газа проводят на специальных печах-конвейерах непрерывного действия. Либо используют уникальные стационарные агрегаты.

Сначала в печь, ее муфель, помещают деталь. Установку закрывают и накаляют печь до 950 градусов. Потом подают заранее подготовленный газ.

Провести эту процедуру в домашних условиях практически нереально.

В то же время она имеет несколько преимуществ перед твердым способом обработки:

  • меньше времени затрачивается на подготовку сырья для цементации;
  • более благоприятные и безопасные условия для труда рабочих;
  • ускорение процесса закалки за счет сокращения времени на выдержку изделий.

Самое важное при цементации стали — это грамотно организованный процесс и качественное оборудование и сырье. Твердый способ вполне можно реализовать в домашних условиях при наличии печи, карбюризатора и металлических форм. А также определенных умений и навыков, связанных с этим процессом закалки стали.

Комментировать
660 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Инструменты
0 комментариев
No Image Инструменты
0 комментариев
No Image Инструменты
0 комментариев
Adblock detector