Во время обработки стали на производстве, используются различные виды оборудования и химические вещества. Одним из процессов обработки является цементация стали. Это химико-термическое воздействие, во время которого материал разогревается, и его атомная решётка перестраивается. Дополнительно к этому, в состав металла попадают необходимые вещества для изменения его свойств.
Цементация стали
Что происходит при цементации стали
Под цементацией понимают специальный высокотемпературный процесс, в ходе которого происходит насыщение поверхности материала атомарным углеродом. Наряду с другими видами химико-термической обработки (азотирование, цианирование и т. д.), цементация повышает качественные характеристики верхнего слоя металла, в особенности его прочность и устойчивость к разного рода нагрузкам.
Существует несколько способов цементации стали, причем некоторые из них можно использовать даже в домашних условиях. В любом случае происходит диффузное насыщение поверхности атомами углерода при высокой температуре (обычно в пределах +500… 1200 градусов). Без повышения температуры невозможна активация углерода, и он не сможет проникнуть в межкристаллическое пространство стали. Скорость взаимодействия металла и углерода довольно низка: за час последний внедряется не более, чем на 1 мм.
Какие свойства обретает сталь
В процессе цементации металл равномерно разогревается в газовой, твердой или жидкой среде с формированием науглероженного слоя на поверхности. Свойства материала при этом меняются в лучшую сторону. Прежде всего, возрастают прочность и износостойкость. Для примера, у легированной стали твердость не превышает 61 HRC, а у металла даже с малым содержанием углерода — 64 HRC.
Внешне сталь после цементации напоминает материал, который прошел процедуру закаливания, хотя ее эксплуатационные характеристики будут выше. Если на поверхности появляются слишком крупные зерна, проводят повторную термическую обработку при температуре не выше +900 градусов, а затем делают низкотемпературный отпуск.
Структура цементованного слоя металла
В твердом карбюризаторе (твердая)
В качестве среды-донора углерода используют древесный уголь; как вариант — торфяной кокс, каменноугольный полукокс. Смесь дополняют активизаторами (углекислый натрий, барий или кальций).
Для качественного насыщения уголь измельчают до частиц размером 3-10 мм, а затем просеивают, чтобы избавиться от пыли. Активизаторы также измельчают и просеивают, стремясь придать солям вид мелкого порошка.
Процесс цементации стали проходит в несколько этапов:
- Предметы, очищенные от эмульсии и масла, загружают в ящик из стали, с карбюризатором, который должен полностью их покрывать. Нельзя допустить их касания стенок ящика и друг друга.
- Емкость помещается в печь. Ее герметичность обеспечивается притертой крышкой, глиной или песчаным затвором.
- Начав с предварительного прогрева, температуру повышают до технологических 900-950°C.
- Возможен ускоренный вариант (при 980°C), сокращающий время насыщения в 2 раза, но вызывающий образование карбидной сетки (возникающей из-за слишком высокого углеродного насыщения). Для ее устранения и исправления структуры проводят дополнительную многоэтапную обработку (нормализацию).
Это условие вполне достижимо в домашней мастерской. Несмотря на очевидные преимущества, у метода есть и недостатки: трудоемкость и низкая производительность.
Перед обжигом готовится твердая смесь (карбюризатор). Она состоит из смеси древесного угля с углекислыми солями бария, натрия или кальция. Соли предварительно измельчают до порошкообразного состояния, а затем просеивают, чтобы добиться однородности. Доля древесного угля в смеси — 70-90%, остальное приходится на соли.
Смесь создается одним из двух способов:
- Соль и древесный уголь тщательно перемешиваются. Если смесь будет недостаточно однородной, во время цементации разные участки поверхности детали будут поглощать разное количество газа. В результате на изделии образуются пятна, сигнализирующие о недостаточной концентрации углерода; качество поверхности будет неравномерным.
- Уголь пропитывают солью, растворенной в воде. Затем его подсушивают до получения смеси, влажность которой не превышает 7%. Такой состав получается однороднее и лучше подходит для использования дома.
Металл для цементации
Для цементации обычно используют три разновидности стали:
- С неупрочняемой сердцевиной (марки 10, 15, 20). Чаще всего изделия из такого металла имеют малый размер и применяются в бытовых целях.
- Со слабо упрочняемой сердцевиной (марки 15Х, 20Х — низколегированные хромистые стали). Для таких марок, как правило, производят дополнительную обработку ванадием, чтобы получить более пластичный материал.
- С сильно упрочняемой сердцевиной. Этот металл используется для производства сложных деталей, необычных по форме изделий и крупных объектов, которые выдерживают серьезные нагрузки. Во время цементации вводится никель или марганец.
Основные способы цементации
Разработаны разные способы цементации, которые различаются технологией, применяемым оборудованием и расходными материалами.
В твердой среде
Для работы используют так называемые твердые карбюризаторы — вещества, которые содержат углерод и могут отдавать его другим материалам при высокой температуре. Чаще всего таковыми служат дубовый или березовый уголь, к которым добавляют немного солей угольной кислоты (до 10-12%). Готовую смесь дробят до частиц размером не более 1 см, просеивают для удаления пыли и кладут в термостойкие ящики, после чего помещают туда металлические заготовки. В ряде случаев уголь проливают раствором соли до достижения влажности 6-7%. При «мокрой» методике процесс цементации происходит более равномерно. Далее действуют таким образом:
- емкости с углем и заготовками герметизируют при помощи шамотной глины;
- печь разогревают до +700 градусов, ставят туда ящики, затем повышают температуру до рабочей (около +800…+950 градусов);
- выдерживают изделия под нагревом до достижения науглероженного слоя нужной толщины.
В газовой среде
Данная методика используется только в промышленных условиях при массовой обработке металлов, в том числе — в машиностроении при изготовлении двигателей. Применяются газы природного или искусственного происхождения, в которых содержится большое количество углерода, например, побочные продукты обработки нефти. За счет изменения плотности газов можно уменьшать или увеличивать глубину проникновения углерода в металл.
Цементация деталей в газовой среде
Полный цикл газовой цементации протекает в специальной шахтной печи, куда заранее помещаются заготовки. Процесс длится довольно долго: для насыщения стали углеродом на 1,2 мм нужно не менее 15-ти часов. Температура газовой смеси составляет +950 градусов. После завершения обработки в той же печи выполняется закаливание (отпуск) металла.
В жидкой среде
Цементация осуществляется в растворе карбонатных солей щелочных металлов, которые заранее плавятся при невысоких температурах. Готовый раствор наливают в герметичную емкость, разогревают состав до +850 градусов и опускают в него металлические изделия. Обычно для насыщения верхнего слоя заготовки углеродом хватает трех часов, поскольку скорость химической реакции в жидкой среде выше. Нужно учесть, что толщина науглероженного слоя при использовании такой методики не превышает 0,5 мм.
В вакууме
Цементация данным способом проводится в особых печах, которые могут создавать вакуум внутри. Заготовки помещаются в печь, выдерживаются в вакууме около часа, после чего внутрь под давлением подается богатый углеродом газ. Последовательно выполняются три стадии обработки изделия вакуумом и газом, а затем оно охлаждается инертными газами. Время подачи газов, давление и скорость прохождения этапов регулируются автоматически.
Вакуумная печь для цементации
В графите
В домашних условиях для цементации нередко используется графитовый порошок, который обладает отличной электропроводимостью. Как правило, таким образом закаливают режущие кромки ножей, лопат, садового инструмента. Работу производят следующим образом:
- измельчают в пыль графит (например, полученный от стачивания графитовой щетки электродвигателя или из батарейки);
- с ножа при помощи шкурки удаляют зазубринки;
- кладут порошок на металлическую подложку, подводят к ней плюсовой контакт источника питания на 6-12 В;
- к металлическому предмету присоединяют отрицательный провод, кромку помещают в порошок;
- подают напряжение на трансформатор;
- металлический предмет плавно перемещают под слоем графита (при этом в порошке проскакивают мелкие искры);
- во время работы лезвие не должно касаться подложки, иначе случится короткое замыкание, и электрическая дуга прожжет изделие.
При помощи паст
Для цементации готовят пасту на основе сажи (пыли) древесного угля (55%), кальцинированной соды (30%) и щавелевокислого натрия (15%). Все компоненты перемешивают, разводят водой до получения пасты, которую затем наносят на обрабатываемый предмет и дают высохнуть. Толщина слоя пасты должна быть в 8 раз больше, чем планируемая толщина науглероженного слоя. После изделие прокаливают в индукционной печи при температуре +900…+950 градусов.
В кипящем слое
Для цементации применяют особые установки — печи кипящего слоя. В смеси раскаленных газов получают корунд — сыпучее вещество, имеющее псевдожидкое состояние. В ходе цементации температура распределяется равномерно, поэтому риск деформации заготовки отсутствует. После завершения процесса осуществляется отпуск и шлифование заготовки.
В электролитном растворе
Электролитный раствор должен включать 75-85% соды, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Металлическое изделие погружают в ванну-печь с раствором, который был прогрет до +850…+860 градусов, и подают напряжение в 150-300 В. Спустя 2 часа поверхность металла науглероживается на глубину до 0,4 мм.
Эта методика отлично подходит для небольших изделий и может применяться в домашних условиях. С помощью цементации можно придать металлическим предметам качественно новые свойства, увеличить срок их эксплуатации и повысить эффективность использования.
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.
Источник статьи: https://tokar.guru/metally/stal/cementirovanie-stali-i-cementaciya-metalla-v-domashnih-usloviyah.html
