Цементация стали

Цементация сталиЦементация металла – это вид термической обработки металлов с использованием дополнительного химического воздействия. Атомарный углерод внедряется в поверхностный слой, тем самым его насыщая. Насыщение стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8–1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают износостойкость и предел выносливости.

Для цементации обычно используют стали с содержанием углерода 0,1–0,3% различного легирования. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки сталей.

Методы цементации

Современные технологии позволяют проводить процессы цементации в следующих условиях:

  • твердая среда;
  • газовая среда;
  • жидкая среда;
  • вакуум;
  • с применением специальной пасты;
  • цементация в электролите. 
Цементация в твердой среде

Для цементации стали по данной технологии используют специальные углеродсодержащие вещества, которые называются карбюризаторами. 

Наибольшей популярностью пользуются следующие карбюризаторы:

  • березовый древесный уголь;
  • дубовый древесный уголь.

Иногда применяют их смесь. 

Процесс насыщения поверхности углеродом выглядит следующим образом:

  • Рабочую смесь насыпают в ящики, изготовленные из термостойкого материала. Форма и размеры зависят от типа обрабатываемых деталей.
  • Объекты для цементации помещают в ящик. Угольная смесь должна быть равномерно распределена по внутренней поверхности.
  • Во избежание утечек производят герметизацию емкости, обрабатывая закладную часть шамотной глиной.
  • Ящик помещают в печь, которую прогревают до 700 °C.
  • На данном этапе осуществляют визуальный контроль процесса: все нагреваемые элементы должны иметь ровный цвет без темных пятен на поверхности.
  • Температуру в печи повышают до рабочего уровня: 800–950 °C. Начинается процесс активного освобождения углерода и его проникновения в межкристаллическую решетку стали.
  • Время обработки зависит от требуемой глубины цементации стали. 
Цементация в газовой среде

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве. Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5–2,00 мм. Цементацию проводят при 910–950 ºС или для ускорения процесса при 1000–1050 ºС. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0–1,3 мм получают при 920 ºС за 15 ч., а при 1000 ºС – за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна, высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали (НМЗС). Также перегрев после цементации можно исправить последующей полной перекристаллизацией сплава при закалке с повторного нагрева. Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8–1,5 %.

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

  • повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;
  • сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы;
  • сокращается потребность в жаростойком материале;
  • появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;
  • уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;
  • улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;
  • появляется возможность закалки деталей непосредственно после цементации;
  • позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс.
Цементация в жидкой среде

Реакция происходит в насыщенном растворе карбонатных солей щелочных металлов, обладающих низкой температурой плавления.

Процесс обработки выглядит следующим образом:

  • Соляной раствор наливают в специальную емкость.
  • В жидкость опускают детали.
  • Раствор нагревают до рабочей температуры, которая составляет 850 °C.
  • Заготовку выдерживают заданное время. Обычно оно не превышает 3 часов.

Достоинства данного метода – высокая скорость реакции и равномерное покрытие поверхности стали. Недостатком является глубина проникновения углерода – до 0,5 мм. 

Цементация в вакууме

Передовая технология, которая отличается высокой скоростью проникновения углерода в сталь. Процесс обработки полностью автоматизирован: время подачи углерода, регулировка рабочего давления и скорость реакции контролируются программным обеспечением, которое установлено на всех компьютерах печи.

Этапы обработки:

  • Стальную заготовку помещают в камеру.
  • Из корпуса выкачивают весь воздух, создавая вакуум.
  • Печь нагревают до рабочей температуры.
  • Деталь выдерживают определенное время.
  • В камеру подают углеводородный газ под давлением.
  • Под действием вакуума углерод активно внедряется в кристаллическую решетку.
  • Науглероживание стали выполняют в несколько этапов в зависимости от требуемой глубины проникновения.
  • В камеру подают инертный газ, охлаждая температуру.

Из достоинств необходимо выделить полное отсутствие кислорода, что повышает качество обработки. 

Цементация пастами

Если модификация носит непостоянный характер, используют специальные пасты из сажи и угля древесного происхождения. Для получения глубокого проникновения требуется наносить толстый слой. После этого деталь помещают в индукционную печь. Для достижения результата требуется температура 1000–1050 °C. 

Цементация в электролитическом растворе

Данный метод обработки стали имеет сходство с гальванизацией. Процесс проходит в растворе электролита, в котором под действием электричества образуются свободные атомы углерода. Температуру и напряжения устанавливают в зависимости от необходимой глубины проникновения.