Науглероживание стали графитом

Цементирование стали и цементация металла в домашних условиях

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.

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.

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Науглероживание сталей

При воздушно-дуговой строжке графитовым электродом происходят науглероживание стали и частичная закалка на небольшую глубину (0,3—0,5 мм) поэтому поверхность металла, подвергнутая воздушно-дуговой стролске, подлежит в дальней- [c.18]

Большое влияние оказывают примеси. Загрязнение воздуха СО2, 802, парами воды вызывает повышение скорости газовой коррозии низкоуглеродистой стали в 1,3-2,0 раза. Нри увеличении содержания оксида углерода (II) — СО — скорость окисления стали понижается. Это явление связывают с тем, что при большом содержании СО на границе сталь-газ устанавливается равновесие 2СО С + СО2. Образующийся при этом атомарный углерод диффундирует в сталь с образованием карбида железа — цементита. Происходит науглероживание стали. Аналогичный процесс при высоких температурах может иметь место и в атмосфере углеводородов. Например, в среде метана устанавливается равновесие [c.58]

Скорость науглероживания стали существенно зависит от активности газовой среды. Наиболее активным ее компонентом является оксид углерода. Имеется информация [37] о том. Что процесс диффузии углерода в металл за счет диссоциации СО усиливается действием Н2. В пирозмеевиках печей пиролиза углеводородного сырья науглероживающая среда состоит из смеси компонентов, которые науглероживают и обезуглероживают сталь. Происходят следую)цие реакции [c.165]

С учетом указанного графика принята рекомендация по рациональному использованию центробежнолитых печных труб в определенных рабочих условиях и средах. В ней, в частности, предлагается ограничивать первоначальное содержание азота в аустенитных сталях в пределах максимума, равного 0,03%. При такой предельной концентрации азота печные трубы можно эксплуатировать в науглероживающей среде примерно до степени насыщения стали углеродом 2%, т. е. до пограничной линии (рис. У-12). Трубы с таким содержанием углерода еще работоспособны, и ири их ремонте допускается применение сварки. Только ири достижении степени науглероживания стали 3% трубы подлежат замене. Используя эту рекомендацию, можно предотвратить аварийное разрушение печных труб и правильно прогнозировать срок их ремонта. [c.164]

В газовых продуктах сгорания топлива увеличение избытка воздуха повышает скорость коррозии железа и стали. Повышение содержания СО в атмосфере печи сильно понижает скорость газовой коррозии стали и может свести ее к нулю, однако при высокой концентрации СО возникает вероятность науглероживания стали. [c.17]

В работе [62] были проведены исследования ползучести нержавеющей стали 304 при экспозиции в потоке жидкого натрия с малым содержанием углерода (0,4—0,8)-10 % при температуре 600—700 °С. Эта среда хорошо имитирует условия в системе теплопередачи в типичном реакторе, работающем на быстрых нейтронах, охлаждаемом жидким металлом. Оказалось, что жидкий металл вызывает науглероживание стали, причем происходит не только повышение содержания атомарного углерода, но также выделение и рост карбидов. Науглероживание приводило к повышению сопротивления ползучести (т. е. к уменьшению скорости ползучести и увеличению длительной прочности) по сравнению [c.32]

Степень науглероживания сталей характеризуется глубиной насыщения металла углеродом и концентрацией его в слое. Чем больше срок эксплуатации печных труб, тем больше степень науглероживания, т. е. глубина слоя и концентрация в нем углерода. Известны случаи, когда концентрация углерода в слое достигала 6% (масс.). Науглероживание стали приводит к резкому снижению пластичности. Относительное удлинение образцов металла при испытаниях оказалось равным нулю. Кроме того, металл центробежнолитых труб в результате эксплуатации подвергается старению, и его механические характеристики снижаются, при этом уменьшаются коэффициенты линейного расширения и теплопроводности. Все эти обстоятельства создают в металле на границе науглероженного слоя объемно-структурные напряжения, которые в сочетании с другими нагрузками и деформацией приводят к местным разрушениям металла труб. [c.166]

При заварке стальными электродами трещин в чугуне наблюдается значительное повышение твердости в зоне сварки, вследствие отбеливания чугуна и науглероживания стали (твердость доходит до Яв=300—400). В связи с этим такие швы обрабатываются с большим трудом. [c.104]

В частности, промышленные испытания в течение 24 400 ч в условиях установки каталитического риформинга стали на основе 1,25% Сг и 0,5% Мо дали глубину науглероживания всего 0,08 мм, что во много раз меньше науглероживания стали Х5М в тех же условиях. Зависимость глубины науглероживания этих двух сталей от длительности выдержки представлена на рис. 20. [c.57]

Продувая через слой графитных частиц воздух, азот или аргон, исследователи получали примерно одинаковые цементованные слои. Это побудило их сделать следующий вывод процесс науглероживания сталей происходит, минуя газовую фазу, вследствие сублимации твердого углерода и адсорбции его атомов на поверхности детали под действием электрического тока. Однако они [100 ] не учли того обстоятельства, что в азоте и аргоне имеется остаточный кислород, который в указанных условиях может образовывать окись углерода. [c.163]

Науглероживание стали состоит из трёх процессов, а именно [c.29]

Температура и продолжительность цементации. Одним из самых существенных факторов, определяющих условия протекания цементации, является температура. Практическое значение имеет цементация лишь при высокой температуре (900—940°), так как при этой температуре 1) в газовой смеси содержится избыток СО, необходимый для науглероживания стали 2) цементируемое железо находится в состоянии гамма, способном растворить в себе достаточное количество углерода 3) большая скорость диффузии углерода обеспечивает получение цементированного слоя достаточной глубины. [c.37]

При нагреве т. в. ч., судя по результатам их работ, производительность процесса увеличивается в 3—4 раза. Основные затруднения, по мнению авторов, при высокотемпературной цементации в твердом карбюризаторе и нагреве т. в. ч. заключаются в предотвращении локального науглероживания стали в точках контакта с частицами карбюризатора. Это достигается меловой обмазкой перед цементацией. [c.91]

Прогнозирование степени науглероживания конструкционных материалов или предельного времени эксплуатации изделий по заданной степени науглероживания может быть проведено с помощью номограммы (рис. 17.11) [1]. Необходимые для пользования номограммой значения параметра науглероживания П приведены для стали 1Х18Н10Т в табл. 17.10. Рассмотрим пример науглероживания стали, когда источником углерода служит графит. [c.267]

При высоких температурах двуокись углерода способна взаимодействовать с углеродом, входящим в состав низколегированных сталей. В результате реакции образуется окись углерода, при этом скорость окисления железа снижается. При повышенных давлениях окись углерода может взаимодействовать с металлами, образуя легколетучие жидкости —карбонилы. Прн избытке содержания СО возможно также науглероживание стали. Увеличение влажности СОз повьш1ает скорость коррозии стали и увеличивает толщину обез углероженного слоя. [c.847]

Хисаева З.Ф., Кузеев И.Р. Силицирование как метод предотвраш,ения науглероживания стали змеевиков печей пиролиза // Инновации в машиностроении Матер. II Всерос. науч.-практ. конф.- Пенза, 2002.- С. 129-130. [c.23]

НИТРОЦЕМЕНТАЦИЯ, газовое цианирование — диффузионное насыщение поверхности изделий из стали (чугуна) одновременно углеродом и азотом в газовой среде вид химико-термической обработки. Насыщение в расплавленных солях, содержащих углерод и азот, наз. цианированием. Н. повышает твердость, износостойкость и выносливость материалов, а иногда и коррозионную стойкость. Совместное насыщение стали углеродом и азотом объединяет цементацию и азотирование в один процесс и может осуществляться из твердой, жидкой или газовой среды. Повышение содержания азота в поверхностном слое снижает температурную область существования гамма-железа и способствует интенсивному науглероживанию стали при более низких т-рах, чем в процессе цементации. При низкой т-ре (500—700° С) сталь насыщается преим. азотом, при высокой (820—960° С) — углеродом. Фазы, образующиеся в диффузионных слоях, изоструктурпы фазам в азотированных слоях и имеют карбонитрид-ный характер — Foj (N ), Feg (N ), Ред (N ), азотисто-углеродистые феррит, аустенит О. мартенсит. Низкоуглеродистые стали насыщают при т-ре 820—960° С (высокотемпературная П.), улучшаемые среднеуглеродистые и высоколегированные инструментальные стали—при температуре 550—600° С (низкотемпературная [c.83]

Способность марганца связывать серу, а также ее аналог — кислород широко используется и в производстве стали. Еш е в прошлом веке металлурги наз чились плавить зеркальный чугун из марганцовистых железных руд. Этот чугун, содержагций 5—20% марганца и 3,5— 5,5 /о углерода, обладает замечательным свойством если его добавить к жидкой стали, то из металла удаляются кислород и сера. Изобретатель первого конвертера Г. Бессемер использовал зеркальный чугун для раскисления и науглероживания стали. [c.9]

При наличии избыточного кислорода примесь двуокиси серы в количестве до 0,6% этой картины не изменяет, а в стали никаких сульфидов ке образуется. При некоторой же избыточности окиси углерода скорость окисления увеличивается с ростом содержания двуокиси серы, причем через 2 ч на стали уже обнаруживается заметное количество иодокалпны из сульфидов железа и никеля, прикрытой снаружи толстым плотным слоем окалины из шпинели и вюстита. При большей избыточности окиси углерода — приблизительно до 2% —начинается науглероживание стали, но сульфиды железа и никеля появляются только в виде следов подокалины, а наружный тонкий и плотный слой окалины опять-таки состоит из шпинели и FeO. Поэтому умень шая содержание окиси углерода, можно усилить окалинообразование в ат.мосфере, содержащей серу. Если существует из- [c.386]

Инертные среды при термообработке стали — аргон, азот, водород, окись углерода, -метан, этан. При создаиии защитной атмосферы учитывают, что водород вызывает обезуглероживание, а ошсь углерода и, метае—науглероживание стали. Поэтому при пратаилвном соотношении этих компонентов можно создать требуемую защитную атмосферу печи. [c.68]

Для расчета науглероживания стали по приведенныл выше реакциям пользуются значением констант равновесия. [c.12]

При этом продоссе (.540—600° С) нужно считаться с науглероживанием стали. [c.75]

Все стали можно соединить механическими способами, но при этом следует учитывать возможность возникновения щелевой коррозии и представлять ее последствия. Многие способы могут с успехом использоваться в разных условиях, но применять клепку в горячем состоянии не следует, так как окисление между двумя поверхностями делает весьма вероятной щелевую коррозию. Аустенитные стали можно сваривать любым обычным способом, и, поскольку эти стали пластичны и не закаливаются, нет необходимости принимать большие меры предосторожности во избежание растрескивания сварного шва. Газовая сварка с использованием углеводородов — не лучший способ сварки, так как возможно науглероживание стали. Локальная термообработка , связанная с разогревом материала при сварке, может в некоторых условиях понизить его коррозионную стойкость т. е. привести к разрушению шва по зоне термовлияния, но это явление хорошо известно, и обычные сорта сталей (см. табл. 1.8) либо весьма стойки, либо вовсе не подвержены такому влиянию. Мартенситные стали закаливаются на воздухе, и поэтому особенно важно не допустить растрескивания сварного шва или зоны термического влияния, предварительно разогрев изделие до и после сварки причем чем выше содержание углерода в стали, тем больше возможность растрескивания. Гораздо легче сваривать дисперсионно твердеющие стали. Ферритные стали, за исключением изделий тонких сечений, также склонны к растрескиванию. [c.29]

Смотреть страницы где упоминается термин Науглероживание сталей: [c.38] [c.79] [c.266] [c.114] [c.114] [c.58] [c.106] [c.228] [c.132] [c.226] [c.228] [c.266] [c.360] [c.68] [c.167] [c.68] [c.132] [c.226] [c.228] [c.58] Смотреть главы в:

Науглероживание металлов

Растворимость углерода в железе, марганце, хроме достаточно велика, особенно в жидком состоянии, и может достигать 5 — 7 %. При получении металлов углетермическим восстановлением в металлах растворяется значительное количество углерода — они науглероживаются. Это объясняется не только благоприятными термодинамическими возможностями, но и созданием кинетических условий, способствующих растворению углерода в металле при его получении. В шахтных и ферросплавных печах струи жидкого металла стекая на подину печи, контактируют с кусками кокса и поглощают углерод, кроме того, идет насыщение металла углеродом при распаде оксида углерода, при контакте с углеродистой футеровкой печи. В ферромарганце концентрация углерода может достигать 7 %, в феррохроме — 8 %, в железе — 6,67 %.

Процессы науглероживания или обезуглероживания протекают и при нагреве металла в нагревательных термических печах при нагреве перед горячей деформацией металла.

При нагреве стали в атмосфере, содержащей СО, происходит науглероживание поверхностного слоя металла. Процесс этот, иногда называемый цементацией, имеет большое значение для термообработки. Насыщение поверхностного слоя углеродом значительно повышает прочностные, режущие и другие механические свойства стали.

Реакция науглероживания может протекать по схеме I:

2СО↔[С] + СО₂, ΔΗ о С (рис. 50). При t > 720 °С на диаграмме имеются две двухфазные области: в одной из них (левой) в равновесии находятся аустенит А и феррит Ф (растворы углерода в α-Fe и γ-Fe), в другой области (правой) находятся в равновесии аустенит и цементит Fe₃C. При , более низких температурах имеется двухфазная область: феррит + цементит. В соответствии с диаграммой в табл. 12 приведены возможные реакции цементации железа.

Рисунок 50 — Диаграмма состояния системы железо — углерод

Таблица 12 — Процессы цементации железа

Все системы трехкомпонентны и состоят из углерода, железа и СO₂. По правилу фаз С = К — Ф + 2 система 1 имеет 3 степени свободы: давление, температуру, концентрацию углерода в аустените. Системы 2, 3, 4 имеют по две степени свободы — температуру и давление.

Для всех указанных в табл. 12 взаимодействий значения константы равновесия должны быть одними и теми же:

(реакции газификации углерода),

Известно, что активность углерода в Fe₃C выше, чем в графите, т.е. > 1

По данным М.И.Темкина и Л.А.Шварцмана, активность углерода в железе зависит от его концентрации: если за стандартное состояние принять графит, для которого а_C = 1

Разность N_Fe — N_C связана с тем, что около атомов углерода в железе повышается электронная плотность и атомы углерода заполняют только 1/4 вакантных мест. За стандартное состояние принят разбавленный раствор углерода в γ-Fe.

Рассмотрим условия существования различных фаз в системе Fe — С и соотношение P_CO/P_CO2 , которое принимаем за меру активности углерода при P = const (см. рис. 51) при различных температурах.

Рисунок 51 — Условия существования фаз в системе железо — углерод

1.Температура T₁. В широком интервале концентраций углерода существуют две фазы: феррит и цементит. Для этой системы по правилу фаз: Р_CO/Р_CO2 = f(T) и при T = const Р_CO/Р_CO2 = const> что свидетельствует о постоянстве активности углерода независимо от соотношения количества фаз.

2.Температура T₂. От 0 до концентрации C₁ и от концентрации C₂ и далее сохраняется постоянство активности углерода, различной в этих двухфазных областях. Поэтому в одной и в другой активности углерода не зависят от соотношения фаз. В интервале от ci до с2 в однофазной области Р_СО/Р_СО2 = f(T,N_C) и при постоянной температуре Р_СО/Р_СО2 является функцией Nc, активность углерода возрастает с повышением концентрации углерода в аустените.

Следствием этого анализа является то, что для двухфазной области равновесный состав газовой фазы и активность углерода однозначно задаются температурой. В однофазной области активность углерода в железе определяется как температурой, так и соотношением Рсо/Рсо₂*. Это верно при постоянном общем давлении.

Для давления 101,3 кПа диаграмма цементации железа оксидом углерода представлена на рис. 52. На этой диаграмме область су­ществования двух твердых фаз превратилась в кривую, положение которой определяется изменением содержания углерода в насыщен­ном растворе под влиянием температуры. Так, кривая GS’ соответствует равновесию: Ф + А ↔ СО — СО₂,

Рисунок 52 — Диаграмма равновесий науглероживания железа оксидом углерода (П)

кривая SE — равновесию Fe₃C + А ↔СО — СО₂ и кривая SQ — равновесию Ф + Fe₃C ↔ СО — СO₂. Каждая кривая отражает изменение состава газовой фазы под влиянием температуры для данной двухфазной твердой системы.

Между кривыми QN и QE находятся области однофазных систем. Между QG и QS — область феррита, между GN и SE — аустенит, выше линии ОР — углеродистый жидкий расплав. В каждой области имеется система линий для определения концентраций углерода, показывающих зависимость состава газовой фазы от температуры. Эти линии нанесены на диаграмме пунктирными линиями. Направление линий отражает вид зависимости Р_CO/Р_CO2 от T.

С ростом содержания углерода в растворе увеличивается и его активность а_[С]. Кривые смещаются в сторону большего содержания СО в газовой фазе, вплоть до линии SE, соответствующей активности метастабильного Fe₃C. Активность углерода в Fe₃C (линия SE) будет больше активности графита в соответствии со штрихпунктирной линией.

С помощью данной диаграммы можно выбирать условия для науглероживания или обезуглероживания железа и состава конечного продукта при восстановительных процессах. Для науглероживания отношение Р_CO/Р_CO2 должно превышать равновесное для данной твердофазной системы (Р_CO/Р_CO2 )_равн. Для обезуглероживания значение Р_CO/Р_CO2 должно быть меньше. Любая точка на данной диаграмме задает условия процесса: температуру и Р_CO/Р_CO2 , а также состав конденсированных фаз для этих условий.

Если, например, возьмем точку А, то, тем самым, определим состав газовой фазы и температуру для получения из вюстита аустенита данного состава (0,10 % С) или определим условия для обезуглероживания стали и чугуна, содержащих цементит, до такого же состава (0,10 % С). При понижении температуры данная точка может сместиться в положение В (температура 600 °С) — в область цементита, т.е. будет происходить предельное науглероживание. Если взять точку С, то она определит условия для обезуглероживания α-Fe, т.е. для получения железа с содержанием 0,014 % С. Для этого необходим нагрев до 750 °С при соотношениях Р_CO/Р_CO2 , равных 2,3. Линия GN, разделяющая области вюстита и аустенита, показывает условия предельно низкого науглероживания железа и появления вюстита: Она соответствует двум одновременно протекающим реакциям:

3(FeO) + 3CO = 3Fe + 3CO₂;

суммарной реакцией будет реакция восстановления вюстита:

При наличии в системе твердого углерода будет происходить регенерация образующейся С02 по реакции газификации углерода:

Суммарная реакция будет следующей:

Пределы науглероживания железа задаются штрихпунктирной кривой равновесия реакции газификации углерода.

Представляется удобным, как это было сделано С.И.Филипповым, для оценки взаимодействия углеродсодержащей атмосферы с металлом ввести понятие углеродного потенциала π_C. Величина углеродного потенциала характеризует науглероживающую способность газовой фазы относительно металла. Углеродный потенциал есть химический потенциал углерода, сравниваемый со стандартным состоянием, для которого a_C = 1.

где a_C — активность углерода в металле, которую определяет газовая фаза; a_C= P_C/P_C O где P_C O — давление пара насыщенного атомного углерода над графитом, принимаемое за стандартное; P_C — давление пара атомарного углерода над металлом, в котором’ растворен углерод.

Углеродный потенциал газовой фазы связан с общим давлением. Чем выше давление, тем выше потенциал при неизменном соотношении P_CO/P_CO2. Как следствие возрастания углеродного потенциала является и увеличение науглероживания железа с ростом давления. Для достижения той же степени науглероживания, что и при более низком общем давлении, при повышении давления можно уменьшать отношение СО к СO₂. Для интенсификации получения низкоуглеродистого металла применение вакуума может оказаться полезным. На диаграмме цементации при повышении» давления линия SE смещается влево к области вюстита, при этом область аустенита сужается, и при повышенных давлениях вюстит может непосредственно восстанавливаться до Fe₃C с помощью газовой фазы.

В шахтных восстановительных печах (например, в доменной печи) обеспечиваются благоприятные условия для науглероживания железа.

По мере опускания твердые материалы попадают в газовую среду с более высокой температурой и одновременно с более высоким содержанием СО. Рост температуры повышает также и скорость процесса. Создаются благоприятные как термодинамические, так и кинетические условия науглероживания восстанавливаемого металла в твердом состоянии. Окончательное содержание углерода в продуктах плавки определяется условиями взаимодействия с жидкими фазами. Работа доменных печей на повышенном давлении газа под колошником способствует науглероживанию железа.

Потенциал углерода в карбидах меньше нуля π_С 0, ΔΗ°₂₉₈ =+17,89 кДж.

Распаду метана способствует повышение температуры и понижение давления. Зависимость изменения свободной энергии и константы равновесия от температуры выражается уравнениями:

ΔG° = 46240 — 29,96·T Дж; lgK = = -2418/T+1,41.

При распаде метана происходит науглероживание железа с образованием раствора: СН₄ ↔ [C]_Fe + 2Н₂, ΔΗ > 0 и с образованием цементита: СН₄ + 3Fe↔ Fe₃C + 2Н₂, ΔΗ

способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки, в частности к электроэрозионному легированию. При цементации стальных деталей используют в качестве анода графитовый электрод, а в качестве катода — стальную деталь. После цементации выполняют последующее электроэрозионное легирование полученной поверхности детали углеродом, при этом последующее электроэрозионное легирование поверхности детали выполняют поэтапно тем же графитовым электродом, что и цементацию. На каждом последующем этапе снижают энергию разряда режима электроэрозионного легирования. Обеспечивается снижение шероховатости поверхности стальных деталей с сохранением качества поверхностного слоя. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2468899

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим способам обработки, в частности к электроэрозионному легированию.

Известен способ электроэрозионного легирования (ЭЭЛ) металлической поверхности — процесс перенесения материала на обрабатываемую поверхность искровым электрическим разрядом [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. — М.: Машиностроение, 1976. с.46].

В способе используют в качестве анода графитовый электрод, а в качестве катода — детали из металла. Способ имеет ряд специфических особенностей, одной из которых является то, что процесс легирования может происходить без перенесения материала анода на поверхность катода и не образовывать прирост материала. Таким образом, происходит диффузионное насыщение поверхности детали составными элементами (элементом) анода, например, при ЭЭЛ графитовым электродом.

Метод ЭЭЛ графитовым электродом основан на процессе диффузии (насыщение поверхностного слоя детали углеродом) и имеет определенное сходство с разновидностью химико-термической обработки — цементацией.

В сравнении с цементацией ЭЭЛ графитовым электродом не только имеет все преимущества сравниваемого метода, то есть укрепление поверхности детали осуществляется с сохранением свойств начального материала детали без ее искривления, но и малогабаритные установки для осуществления способа позволяют выполнять укрепление на любом имеющемся оборудовании. Производительность процесса при этом составляет 1-5 мин/см 2 .

При ЭЭЛ графитовым электродом укрепление поверхности детали происходит за счет диффузионно-закалочных процессов, заключающихся в локальном насыщении ее углеродом при достаточно высокой температуре (до 10000°С) с последующим быстрым охлаждением до практически комнатной температуры самой детали.

ЭЭЛ графитовым электродом можно выделить в отдельное направление, что позволяет формировать на деталях машин поверхностные слои повышенной износостойкости без изменения начального размера детали.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ цементации стальных деталей электроэрозионным легированием (ЭЦ) графитовым электродом, включающий использование в качестве анода графитового электрода и в качестве катода — стальной детали, при этом в качестве катода используют деталь из низкоуглеродной легированной стали аустенитного класса, легирование осуществляют с производительностью 1,0-5,0 мин/см 2 и энергией разряда 0,036-6,8 Дж и формируют легированные поверхностные слои толщиной от 4-5 до 320-350 мкм [RU № 2337796, В23Н 9/00, 2008].

Способ имеет ряд достоинств, основными из которых являются:

— достижение 100% сплошности укрепления поверхностного слоя;

— повышение твердости поверхностного слоя детали за счет диффузионно-закалочных процессов;

— возможность осуществления легирования в точно отмеченных местах без необходимости одновременной защиты другой поверхности детали;

— отсутствие объемного нагрева детали, а, следовательно, поводок и искривлений;

— простота применения технологии;

— гибкая привязка к имеющемуся оборудованию;

— процесс укрепления не требует специальной подготовки и высокой квалификации рабочего.

При цементации стальных деталей электроэрозионным легированием толщина упрочненного слоя зависит от энергии разряда и времени легирования (производительности процесса). С увеличением энергии разряда и времени легирования толщина упрочненного слоя увеличивается. Однако при этом возрастает и шероховатость поверхности. Так, при ЭЭЛ углеродом среднеуглеродистой легированной стали 40Х (Ra=0,5 мкм) с производительностью 5 мин/см 2 при энергии разряда 6,8 Дж толщина слоя повышенной твердости составляет более 1,15 мм. Шероховатость поверхности при этом соответствует Ra=11,7-14,0 мкм.

Для снижения шероховатости поверхности после электроэрозионного легирования графитовым электродом применяют, как правило, методы поверхностно-пластического деформирования (ППД).

Среди методов ППД особого внимания заслуживают: обкатывание шариком и ультразвуковое упрочнение — метод безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО).

Применение методов ППД не всегда приводит к желаемым результатам. Так, при обкатке шариком, незначительное превышение (на 10%) необходимого удельного усилия обкатки обуславливает возникновение в поверхностном слое, предварительно подвергнутом ЭЭЛ углеродом, микротрещин. На фиг.1 показана структура и микротвердость стали 40Х на поверхности (а) и по глубине слоя (б) после ЭЭЛ (графитом ЭГ-4) + ППД (обкатка шариком Ø10 мм с максимальным удельным усилием Р=1650 Н). [Тарельник В.Б., Марцинковский B.C., Антошевский Б. Повышение качества подшипников скольжения: Монография. — Сумы: Издательство «МакДен», с.2006. — 160]. Микротрещины, являясь концентраторами напряжений, могут привести к разрушению деталей, особенно тех, которые в процессе работы подвергаются знакопеременным нагрузкам.

В последнее время, с целью снижения шероховатости поверхности, применяют метод БУФО, например, на ультразвуковой установке с деформирующим инструментом в виде полусферы, схематическое изображение которой представлено на фиг.2, включающей деформирующий инструмент 1; концентратор УЗК 2; волновод 3; преобразователь УЗК 4; генератор 5; обрабатываемую деталь 6.

Несмотря на то, что последующая обработка БУФО значительно снижает шероховатость поверхности, для многих деталей машин это является недостаточным.

Применение после ЭЦ шлифовки не представляется возможным, так как в данном случае удаляется как минимум 50-100 мкм поверхностного слоя, причем слоя с наибольшей твердостью.

Из уровня техники известно упоминание о том, что для снижения шероховатости. поверхности покрытия, нанесенного методом ЭЭЛ, достаточно в качестве заключительной операции после легирования соответствующим материалом провести «мягкое» легирование графитом. [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. — М.: Машиностроение, 1976. — с.46]. Однако «мягкое» легирования графитом — процесс довольно длительный, и, кроме того, в источнике конкретно не указано, на каких режимах «мягкое» легирование графитом может оказаться эффективным.

В основу изобретения поставлена задача снижения шероховатости поверхности стальных деталей с сохранением качества поверхностного слоя (отсутствие микротрещин, наличие слоя повышенной твердости, 100% сплошность и тому подобное) и, как результат, расширение области их применения.

Поставленную задачу решают тем, что в способе цементации стальных деталей электроэрозионным легированием, при котором используют в качестве анода графитовый электрод, а в качестве катода — стальную деталь и после цементации выполняют последующее электроэрозионное легирование полученной поверхности детали углеродом, согласно изобретению последующее электроэрозионное легирование поверхности детали выполняют тем же графитовым электродом, что и цементацию, но поэтапно, при этом на каждом последующем этапе снижают энергию разряда режима электроэрозионного легирования.

На каждом последующем этапе выполняют электроэрозионное легирование графитовым электродом в режиме с такой энергией разряда, при которой формируют поверхность с шероховатостью в 2-3 раза ниже, чем на предыдущем этапе, в сравнении с шероховатостью поверхности детали из нелегированного материала до цементации.

Электроэрозионное легирование графитовым электродом могут осуществлять за один проход для снижения величины шероховатости в 2 раза, при этом за один проход осуществляют электроэрозионное легирование графитовым электродом всей заданной площади поверхности детали с производительностью, соответствующей используемой энергии разряда.

Электроэрозионное легирование графитовым электродом могут осуществлять за два прохода для снижения величины шероховатости в 3 раза, при этом за один проход осуществляют электроэрозионное легирование графитовым электродом всей заданной площади поверхности детали с производительностью, соответствующей используемой энергии разряда.

В этом случае образуется не слой графита, а некоторый диффузионный слой, причем происходят выбросы металла катода (детали) в местах приложения импульсов, то есть распиловка наиболее выступающих частей поверхности. В результате. происходит приглаживание гребешков и, следовательно, снижается шероховатость [Лазаренко Н.И. Электроискровое легирование металлических поверхностей. — М.: Машиностроение, 1976. — с.46].

Изобретение поясняется иллюстративным материалом.

На фиг.1 представлена структура и микротвердость стали 40Х на поверхности (а) и по глубине слоя (б) после ЭЭЛ (графитом ЭГ-4) + ППД (обкатка шариком Ø10 мм с максимальным удельным усилием Р=1650 Н).

На фиг.2 показана схема ультразвуковой установки с деформирующим инструментом в виде полусферы: 1 — деформирующий инструмент; 2 — концентратор ультразвукового контроля (УЗК); 3 — волновод; 4 — преобразователь УЗК; 5 — генератор; 6 — обрабатываемая деталь.

На фиг.3 изображены стальные образцы для исследования результатов ЭЦ.

На фиг.4 представлен процесс ЭЦ с использованием токарного станка.

На фиг.5 представлено распределение микротвердости по глубине слоя при ЭЭЛ стали 38ХМЮА углеродом (W_p=0,9 Дж).

На фиг.6 показано распределение микротвердости по глубине слоя при ЭЭЛ стали 40ХН2МЮА углеродом (W_p=0,9 Дж).

Способ поясняется конкретным примером осуществления.

Ниже приведена методика и результаты проведенных исследований.

ЭЦ выполнялась на переносных установках ЭЭЛ с ручным вибратором, обеспечивающих энергию разряда в диапазоне 0,1 0,68 Дж («ЭИЛ — 8А», «Элитрон — 22А») и установках электроэрозионного легирования большей мощности («Элитрон — 52А» и «ЭИЛ — 9») с энергией разряда до 6,8 Дж.

Процесс ЭЦ проводился в автоматическом режиме с помощью специального приспособления на различных режимах в диапазоне энергий разряда (W_p) от 0,1 до 6,8 Дж.

Производительность процесса ЭЦ, в зависимости от режима легирования представлена в таблице 1.

Науглероживание стали графитом

Сборник докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» — Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006.

В производстве синтетических чугунов науглероживание расплавленного металла является одним из основных процессов их выплавки.

Вопросу науглероживания сплавов железа посвящено большое количество работ и статей различных авторов, но, тем не менее, точку в этом вопросе ставить рано.

В отечественной практике литейного производства в качестве носителя углерода используются углеродистые или углеродсодержащие материалы, как искусственного происхождения – это каменноугольные коксы, древесный уголь, графиты различных марок, так и природные – это естественный или чешуйчатый графит, различные угли, в.т. числе антрацит и термообработанный антрацит или термоантрацит. При этом НД с требованиями, которым должен отвечать науглероживатель по своим свойствам, отсутствует. Чаще всего при выборе науглероживателя о качестве материала судят по регламентированному содержанию в нём углерода, а в технологическом процессе – по усвоению из него углерода расплавом. Сравнительный анализ эффективности взаимодействия расплава с углеродистыми материалами проводят, не принимая во внимание особенностей их микросостава и микростроения.

Рассмотрим, что может влиять на усваиваемость углерода при использовании различных углеродистых материалов. В таблице представлены свойства некоторых материалов-науглероживателей и их усваиваемость расплавом при определенных температурных условиях [1].

Отечественными учеными в области литейного производства по практическим плавкам сделан вывод, что степень насыщения жидкого металла углеродом тем выше, чем более чистый по химическому составу реагент используется.

Необходимо отметить, что зольность влияет не только на содержание углерода в науглероживателе, зола еще является и поставщиком в расплав различных химических элементов.

Все составляющие золы делятся на макро- и микрокомпоненты. К макрокомпонентам относятся S, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti. Микрокомпонентами могут быть As, Hg, V, Pb, Zn, Se, Mo, Ni, Sb, P, Co, Cr, Tl, Li, Mn, Ge, Ga, Re, Ag, Au и др.

Воздействие такой смеси разнообразных элементов как в отношении усваиваемости углерода, так и по влиянию на структуру и конечные свойства чугуна весьма противоречиво.

Зольность науглероживателя может влиять на усваиваемость углерода расплавом в результате замедления молекулярной диффузии. Зольные примеси, например, в антраците в основном находятся в виде прослоек в межкристаллитном пространстве. Раздвигая плоскости кристаллитов и одновременно сшивая их, они, тем не менее, уменьшают прочность связи кристаллитов между собой. Именно минеральные примеси вступают в первую очередь в реакцию с расплавом, отодвигая во времени собственно процесс науглероживания. Примеси в углеродистом материале могут также входить и в химическую структуру кристаллитов. Такими гетероатомами чаще всего служат сера, азот, водород, кислород.

Массовая доля золы в углеродистом материале зависит от количества зольных примесей исходного углеродсодержащего сырья, от температуры производства или подготовки (термообработки) этого материала, крупности используемой фракции. Для твердых углеродистых материалов природного происхождения (уголь, естественный графит: литейный, тигельный) или продуктов полученных на их основе, например, каменноугольные коксы — доменный или литейный, характерна более высокая зольность. Состав зольных примесей также может быть различен в зависимости от базового месторождения и температур термообработки, так как он, также как и структура углеродистого материала претерпевают значительные изменения под воздействием высоких температур.

Анализируя вышесказанное, становится понятно, что без специальной подготовки науглероживателя, в частности по содержанию и составу зольных примесей, невозможно добиться постоянства его качества, а соответственно и стабильных предсказуемых результатов при его использовании.

Наиболее чистыми от примесей являются углеродистые материалы, подвергнутые процессу графитации или глубокой термообработке. Процесс графитации при получении графитовой продукции разных марок осуществляют в промышленных условиях при температурах 2400-2600°С без доступа воздуха. Графитация материала с исходной зольностью 5-8% позволяет снизить ее до 1,0-1,5%. Кроме того, при графитации происходит перестройка структуры углеродистого материала в совершенную графитовую решетку или близкую к ней.

Как видно из таблицы, скорость науглероживания в наибольшей степени зависит от совершенства структуры используемого углеродистого материала и размера кристаллитов.

Рассмотрим структуру ряда углеродистых материалов искусственного происхождения, используемых в качестве науглероживателей: графит, термоантрацит, каменноугольный кокс, древесный уголь и сажа.

По сути, все рассматриваемые углеродистые материалы характеризуются кристаллическим строением по типу графита, но с разной степенью совершенства и упорядоченности плоскослоистой структуры и разной степенью дисперсности кристаллитов.

Графит – гексагональная полиморфная модификация углерода. Он характеризуется идеальной кристаллографической решеткой с расстоянием между слоями 0,3354 нм, представленной на рисунке. Основным элементом конструкции кристалла графита является плоский атомный слой (атомная сетка). Атомные слои уложены в определенном порядке: один слой, непосредственно расположенный над соседним слоем сдвигается в горизонтальном направлении на величину равную связи С–С (1,42 нм), т.е. атомы углерода в каждом слое располагаются точно под центром правильных шестиугольников в соседнем верхнем слое, причем порядок упаковки выражается чередованием слоев. >>

Здесь представлен отрывок статьи:

Панов А.Г., Рогожина Т.В. К вопросу о выборе науглероживателя при производстве синтетических чугунов — Сб.докладов Литейного консилиума №2 «Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов» — Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007 — с. 56

Ознакомиться с полным текстом статьи в формате PDF; 365 КБ >>>