Все о цементации металла на примере стали

Цементация, осуществляемая в различных средах и исключительно под воздействием высоких температур, является очень распространенным методом химико-термической обработки металла, успешно применяемым уже не один десяток лет.

Подготовка деталей для цементации

Сущность процесса цементации

Смысл любых методов химико-термической обработки металлов, к числу которых относится и цементация стали, заключается в том, что изделие нагревают до высокой температуры в специальной среде (жидкой, твердой или газообразной). Такое воздействие приводит к тому, что меняется химический состав металла – поверхность обрабатываемого изделия насыщается углеродом, в итоге становится более твердой и износостойкой. Что важно, сердцевина обработанных деталей остается вязкой.

Добиться желаемого эффекта после такого воздействия на металл можно лишь в том случае, если обработке подвергают низкоуглеродистые стали, в составе которых углерода содержится не более 0,2%. Для того чтобы выполнить цементацию, изделие нагревают до температуры 850–950 градусов Цельсия, а состав среды подбирают таким образом, чтобы она при нагреве выделяла активный углерод.

Если цементацию стали проводить квалифицированно, можно не только изменить химический состав металлического изделия, но также преобразовать его микроструктуру и даже фазовый состав. В результате удается значительно упрочнить поверхностный слой детали, придать ему характеристики, сходные со свойствами закаленной стали. Для того чтобы добиться таких результатов, необходимо правильно подобрать параметры химико-термической обработки металла – температуру нагрева и время выдержки обрабатываемого изделия в специальной среде.

Оборудование для вакуумной цементации стали

Данная технологическая операция является достаточно продолжительной по времени, так как процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом проходит очень медленно (0,1 мм за 60 минут). Учитывая тот факт, что упрочненный поверхностный слой для большинства изделий должен составлять не менее 0,8 мм, можно рассчитать, что на выполнение цементации металла необходимо будет затратить не менее 8 часов. Основными типами сред для выполнения цементации металла (или, как их правильно называют, карбюризаторами) являются:

• газообразные среды;
• растворы электролитов;
• пастообразные среды;
• кипящий слой;
• твердые среды.

Наиболее распространенными являются газообразные и твердые карбюризаторы.

Зависимость толщины цементованного слоя от времени и температуры обработки

Проведение цементации стали в твердой среде

Чаще всего для выполнения цементации металла в твердой среде используется смесь, состоящая из углекислого натрия, бария или кальция и березового или дубового древесного угля (70–90%). Перед этим все компоненты такой смеси измельчаются до фракции 3–10 мм и просеиваются, что необходимо для удаления слишком мелких частиц и пыли.

После того, как компоненты смеси для химико-термической обработки металла подготовлены, их можно смешать несколькими способами.

• Компоненты смеси (соль и уголь) тщательно перемешиваются в сухом состоянии. Если пренебречь этим требованием, то после окончания процесса цементации на поверхности изделия могут образоваться пятна.
• Соль растворяют в воде и полученным раствором поливают древесный уголь, после чего его просушивают до достижения влажности не более 7%.

Следует отметить, что второй способ предпочтительнее, так как позволяет получить смесь с более равномерным составом.

Древесноугольный карбюризатор

Как в производственных, так и в домашних условиях цементация изделий из стали выполняется в ящиках, в которые засыпан карбюризатор. Чтобы улучшить качество поверхностного слоя обрабатываемого металла, а также сократить время, идущее на прогрев ящиков, лучше всего изготавливать их максимально приближенными к размерам и формам деталей.

Оптимальные условия для протекания цементации стали можно создать, исключив утечку газов, образующихся в карбюризаторе в процессе нагрева. Для этого ящики, у которых должны быть плотно закрывающиеся крышки, тщательно обмазывают огнеупорной глиной перед помещением в печь.

Естественно, использовать специально изготовленные ящики целесообразно лишь в промышленных условиях. Для цементации металла в домашних условиях применяют ящики стандартных размеров и формы (квадратные, прямоугольные, круглые), подбирая их в зависимости от количества обрабатываемых деталей и внутренних размеров печи.

Оптимальным материалом для таких ящиков является жаростойкая сталь, но может быть использована и тара из малоуглеродистых сплавов. Технологический процесс цементации изделий из металла выглядит следующим образом.

Наглядное изображение изменения структуры после цементации

• Подготовленные для обработки детали укладывают в ящики, пересыпая слоями карбюризатора.
• Наполненные ящики, обмазанные огнеупорной глиной, помещают в предварительно прогретую печь.
• Выполняют так называемый сквозной прогрев ящиков с деталями, при котором они нагреваются до температуры 700–800 градусов Цельсия. О том, что ящики хорошо прогрелись, судят по цвету подовой плиты: на ней не должно быть темных пятен в местах соприкосновения с тарой.
• Температуру в печи поднимают до 900–950 градусов Цельсия. Именно при таких значениях проводят цементацию стали.

Высокая температура и специальная среда, в которой находится металл, способствуют тому, что происходит диффузия атомов активного углерода в кристаллическую решетку стали. Следует отметить, что выполнение цементации стали возможно в домашних условиях, но часто не позволяет добиться желаемого эффекта. Объясняется это тем, что для процесса цементации необходима длительная выдержка детали при высокой температуре. Как правило, это трудно обеспечить в домашних условиях.

Цементация деталей в газовой среде

Авторами данной технологии являются С. Ильинский, Н. Минкевич и В. Просвирин, которые под руководством П. Аносова впервые использовали ее на комбинате в г. Златоусте. Суть данной технологии заключается в том, что обрабатываемые детали из металла нагреваются в среде углеродосодержащих газов, которые могут быть искусственного или природного происхождения. Чаще всего используется газ, который образуется при разложении продуктов нефтепереработки. Такой газ получают следующим способом:

• нагревают стальную емкость и подают в нее керосин, который при испарении разлагается на смесь газов;
• состав некоторой части (60%) полученного газа модифицируют (крекирование).

Полученная смесь и используется для выполнения химико-термической обработки стали.

Процесс цементации стали

Если цементацию стали провести с применением только пиролизного газа, без добавления крекированного, то глубина науглероженного слоя будет недостаточной. Кроме того, в таком случае на поверхности обрабатываемой детали осядет большой слой сажи, на удаление которого может уйти много времени и сил.

Печи, которые используются для выполнения газовой цементации металла, должны герметично закрываться. На современных производственных предприятиях применяют два основных типа таких печей: методические и стационарные. Сам процесс цементации в газовой среде выглядит следующим образом. Обрабатываемые детали помещают в печь, температуру в которой доводят до 950 градусов Цельсия. В нагретую печь подают газ и выдерживают в нем детали определенное время.

По сравнению с цементацией стали с использованием твердого карбюризатора, данная технология имеет ряд весомых преимуществ:

• обеспечение лучших условий для обслуживающего персонала;
• высокая скорость достижения требуемого эффекта за счет того, что детали в газовой среде могут выдерживаться меньшее количество времени (к тому же не требуется время для приготовления твердого карбюризатора).

Цементация стали в домашних условиях

В каких еще средах может проводиться цементация стали

Отдельные сорта углеродистых, низкоуглеродистых и легированных сталей, в частности 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А и др., могут проходить цементацию в других средах.

В такой среде можно науглероживать только детали, отличающиеся небольшими размерами. Основывается данный метод на анодном эффекте, благодаря которому и происходит насыщение поверхности металла углеродом, содержащимся в растворе электролита. Для того чтобы раствор содержал достаточное количество активного углерода, в него добавляют глицерин, ацетон, сахарозу и другие вещества. Перед тем, как поместить деталь из стали в раствор, его нагревают до температуры 450–1050 градусов Цельсия (в зависимости от обрабатываемого металла и размеров детали). Для разогрева раствора используют электрический ток с напряжением 150–300 В.

Цементацию стали по данной технологии проводят в среде раскаленного газового потока, формируемого при прохождении метана и эндогаза через слой нагретого мелкоизмельченного (0,05–0,2 мм) корунда.

Для науглероживания поверхности металла по данной технологии используются специальные пасты, состоящие из желтой соли, древесной пыли и сажи. Перед обработкой деталь обмазывают такой пастой и просушивают, а только затем нагревают до температуры 910–1050 градусов Цельсия при помощи токов высокой частоты.

По какой бы технологии ни была выполнена цементация стали, после ее окончания рекомендуется провести отпуск металла.