Цементация стали: разбираемся в особенностях процесса

Цементация стали – процесс, который направлен на укрепление данного металла. Ее используют в промышленных условиях и в быту, так как существует несколько методов доведения металла до нужных показателей.

Несмотря на название, в процессе цементации не используется цемент или что-то подобное, а само действие связано с нагревом детали в различных средах. В нашей статье расскажем, какими способами происходит цементация, разберем все технологические операции, а также опишем свойства стали после обработки.

Суть цементации стали

У наших предков была распространена такая примитивная технология: железный клинок или другой инструмент оставляли в горящей печи в герметичном сосуде, заполнив его углем, на несколько дней. Мастера давно заметили, что после такого выпекания внешние слои металла становились значительно тверже, а пластичное железо самого корпуса изделия сохраняло свои свойства.

Таким образом, удавалось насытить железо углеродом, улучшив его режущие свойства и повысив прочность. В дальнейшем эта методика, получившая название цементации стали, развивалась по нескольким направлениям.

Цементацией называют термообработку металла, в ходе которой для улучшения характеристик материал контактирует с определенной химической средой. Для обработки используется жидкость, газовая смесь или твердый реагент, нагрев которых вызывает выделение свободных атомов углерода.

Благодаря происходящему при этом диффузному проникновению углерода во внешние слои сталь меняет свои свойства. Глубина проникновения углерода зависит от вида обработки и может достигать глубины до нескольких миллиметров.

Главной целью цементации стали является повышение сопротивляемости деталей вибрации, ударам и истиранию. Насыщение металла углеродом призвано улучшить характеристики его внешних слоев:

1. Происходит значительное улучшение характеристик поверхностных слоев с сохранением пластичности и упругости металла под ними. После обработки поверхность становится устойчивой к истиранию, а сама деталь прекрасно выдерживает рабочие нагрузки.
2. Полученная при цементации стали твердость соотносима с получаемой в ходе классической закалки.

Особенности методики:

• В процессе цементации стали крайне важны как температура, так и соблюдение необходимых требований по времени воздействия. Оптимальной с точки зрения насыщения стали углеродом является температура в диапазоне от +850 °С до +950 °С.
• Характерной особенностью диффузионного насыщения является его низкая скорость. В среднем, на цементирование 0,1 мм металла уходит около часа. Обычно минимальная глубина насыщения сплава составляет 0,8 мм, соответственно, на получение готовой к дальнейшей обработке детали уходит от восьми часов.
• Обработке такого рода подвергают легированные сплавы и стали с низким содержанием углерода, обладающие достаточной способностью к поглощению атомов углерода.
• Цементацию производят с использованием различных сред. Часто применяют методы термообработки с карбюризаторами в твердом или газообразном состоянии. Для обогащения металла углеродом также используют технологии, основанные на применении доведенного до кипения электролитного раствора и углеродсодержащие пастообразные реагенты.

В производственных процессах наиболее широкое распространение получили газообразные и твердые карбюризаторы.

Типы стали, пригодные для цементации

Металлы в данном разрезе делят на три группы по их свойствам:

• С неупрочняемой сердцевиной марок 20, 15 и 10. Обычно это детали бытовых устройств. Термообработка дает феррито-перлитную смесь, полученную из аустенита.
• Со слабоупрочняемой сердцевиной. Речь о слабо легированных сплавах на основе хрома (марки 20Х и 15Х). Для повышения пластичности и вязкости стали сплав дополнительно легируют ванадием, что дает возможность получить зерно меньших размеров.
• С сильно упрочняемой сердцевиной. Чаще всего используются для производства изделий сложной формы или с большим поперечным сечением, рассчитанных на ударные нагрузки. В ходе термической обработки металл легируют никелем или марганцем. Для уменьшения зернистости используют титановые или ванадиевые добавки в малых количествах.

К цементации часто прибегают при производстве клинков ножей, различных валов, осей и шестерней.

Виды цементации стали

Как упоминалось выше, для повышения содержания атомов углерода в структуре поверхностных слоев изделия используют углеродсодержащие смеси в различных состояниях:

• твердые;
• газообразные;
• жидкие (раствор электролитов).

Кроме того, нередко используют пастообразные карбюризаторы.

Рассмотрим эти методы подробно:

Обработка твердыми карбюризаторами

Для эффективного обогащения стали углеродом к смеси дубового и березового угля добавляют соль угольной кислоты, насыщенную кальцием или другим щелочным металлом. Для быстрого диффузионного насыщения поверхностных слоев стали углеродом смесь измельчают и просеивают через ряд сит, получая крупицы диаметром менее 10 мм. Продолжительность процесса зависит от толщины получаемого слоя.

Обработка в газовой среде

Обычно газовые смеси используют для термообработки частей двигателей. Такой метод позволяет обогащать поверхность изделий на глубину не более 2 мм. Карбюризатором служат различные газовые смеси.

Обработка осуществляется в несколько шагов:

• Герметичную печь с заготовками прогревают до +950 °С.
• В камеру медленно подают газовую смесь.
• Детали подвергаются воздействию в течение нескольких часов.
• Чтобы сократить длительность обработки, увеличивают температуру. Так, увеличение температуры на 50 °С уменьшает время насыщения в среднем на четыре часа.

Обработка в жидкой среде

Средой для процесса служит расплав солей.

Этапы обработки:

• расплав солей в специальной ванне прогревают до +850 °С;
• детали держат в жидкости необходимое время.

Обработка стали в вакууме

Сократить время, затрачиваемое на обработку поверхности металлических заготовок, позволяет использование вакуума.

Этапы обработки:

• печь с размещенными в ней деталями герметизируют;
• откачивают из камеры воздух;
• разогревают до нужной температуры;
• заготовки выдерживают в печи около 60 минут;
• в камеру нагнетают карбюризатор в составе газовой смеси;
• происходит обогащение внешних слоев заготовки;
• перед окончанием процесса из камеры снова откачивают воздух.

Для полноценного насыщения поверхности изделия углеродом необходимо повторить обработку как минимум трижды. Обработанные детали охлаждают инертными газами.

Обработка с помощью паст

Пасты для цементации металла делают на основе угольной пудры. При нанесении карбюризатора на заготовку следует иметь в виду, что для вычисления необходимой толщины слоя пасты требуемую глубину насыщения нужно умножить на 8. Для запуска процесса изделия прогревают до +1000…+1200 °С в индукционной печи.

Обработка электролитным раствором

Для обогащения внешних слоев изделия углеродом с помощью электролитного раствора его разогревают до +450…+1050 °С и воздействуют на жидкость электрическим током под напряжением 300 В. Далее изделия держат в растворе в течение периода, который позволяет сформироваться насыщенному углеродом слою металла необходимой толщины.

Цементация стали своими руками

Выше рассмотрены основные технологии промышленного насыщения стали углеродом. Если необходимо произвести цементацию в условиях собственной мастерской, лучше использовать методику обработки стали с помощью твердых карбюризаторов. Разберем ее этапы:

1. Заготовки укладывают в металлический короб, пересыпая их карбюризатором так, чтобы исключить их соприкосновение и контакт деталей со стенками.
2. Емкость герметизируют.
3. Короб отправляют в печь, разогретую до +700 °С. При прогреве емкости с заготовками необходимо следить, чтобы на стенках емкости с деталями и подовой плите печи не появлялись пятна или полосы. Образование последних говорит о перегреве или неравномерном прогреве емкости и заготовок.
4. Далее температуру постепенно повышают, доводя ее до +800…+950 °С.
5. Длительность обработки может варьироваться в пределах 6–20 часов в зависимости от требуемой глубины цементации.
6. Детали охлаждают при комнатной температуре, не доставая их из карбюризатора. При необходимости впоследствии проводят дополнительную термическую обработку.

Цементирование в собственной мастерской получается не хуже, чем в условиях производства.

С помощью небольшого набора необходимого оборудования и реагентов вполне реально качественно произвести цементацию поверхности заготовок самостоятельно. Но это относится к случаям, когда вы собираетесь работать с металлом на постоянной основе. Дело в высокой стоимости необходимых для такой обработки расходных материалов и устройств.

Как цементация меняет свойства стали

• В результате диффузионного насыщения поверхности металла углеродом образуется равномерный слой, имеющий твердость от 60 до 64 единиц по шкале Роквелла.
• В ходе термической обработки при температуре от +700 °С металл может незначительно изменить структуру.
• В процессе цементации стали зерна в структуре стали уменьшаются из-за процедуры закаливания при +900 °С,

Чтобы уменьшить размер зерен, после цементации заготовки требуют дополнительной термообработки:

• Большая часть видов стали в таком случае требуют повторного разогрева до +750…+780 °С и закаливания в воде с последующим отпуском при температуре от +150 °С до +180 °С или нормализации.
• Когда обработке подвергается легированная сталь, можно ограничиться нормализацией.

При сквозном прогреве сердцевин стальных заготовок в них образуется мартенсит. Время и температурный режим дальнейшей обработки изделия зависят от марки стали. Как показала практика, в большинстве случаев достаточно простого отпуска при низкой температуре.

Наряду с множеством известных сегодня методов улучшения рабочих свойств металлических изделий способ цементации является одним из наиболее действенных. Для того чтобы в полной мере достичь требуемого результата, при обработке необходимо тщательно соблюдать все условия, которых требует данная технология.

Соблюдение правильной температуры и времени выдержки, правильный выбор карбюризатора и оборудования критически важны в металлообработке. Небольшое отклонение от требуемых параметров в ходе цементации впоследствии может обернуться снижением прочности и долговечности всей конструкции. Каждая деталь здесь требует внимательного и ответственного подхода.