Цементация стали

Содержание

Твердость и прочность поверхности металлических деталей – одно из основных условий обеспечения их высоких технико-эксплуатационных характеристик. С помощью цементации удается повысить прочностные параметры изделий из конструкционных металлов, в т.ч. из углеродистых и легированных сплавов стали.

Что такое цементация стали и для чего она нужна?

Цементация стали – это разновидность термохимической обработки металла, при которой происходит насыщение поверхностного слоя стальной детали молекулами атомарного углерода. Такое науглероживание металла происходит диффузионным способом, в результате которого концентрация углерода в поверхностных слоях детали достигает 0,8...1,2%, а твердость металла – 58-64 HRC.

Процесс цементации неразрывно связан с другими видами термической обработки металла, поскольку после науглероживания в стали образуются крупные углеродные зерна. Избавиться от такого деструктивного явления можно с помощью отпуска, закалки и других видов термообработки металла.

Появление такого способа обработки металлов, как цементация стали, обязано необходимостью сочетать высокую твердость и износостойкость поверхности детали с достаточной вязкостью и пластичностью основного конструкционного материала в теле металлоизделия.

Другими словами, если бы деталь была полностью такой твердой, как ее поверхностный слой, она бы не выдержала сильных знакопеременных, крутящих, вибрационных и прочих статичных и динамичных нагрузок. Определенный коэффициент вязкости и пластичности стали позволяет компенсировать такие критические нагрузки в процессе эксплуатации детали, но при этом ее поверхность благодаря цементации имеет достаточные прочностные характеристики, чтобы сопротивляться износу в процессе трения, разрушительным ударным нагрузкам и т.п.

Как происходит цементация металла?

Процесс науглероживания стали, берет свое начало из глубины веков. Не имея представления о сути этого способа термохимической обработки металла, люди заметили, что металлические изделия, будь то орудия труда, холодное оружие или детали простейших механизмов, становились намного прочнее после их длительной выдержки в печи внутри раскаленных углей.

Этот пример примитивной цементации наглядно показывает саму суть процесса термохимической обработки деталей из стали с насыщением их поверхностного слоя углеродом. Металл длительное время находится в непосредственном контакте с молекулами атомарного углерода в катализирующей среде, будь то высокая температура, жидкие растворы электролитов, углеродосодержащие газы или даже вакуум.

Для осуществления цементации стали необходимо два основных условия:

высокая температура – 850...950°С;
среда, насыщенная свободным углеродом.

Скорость процесса науглероживания поверхности детали достаточно мала и в среднем составляет около 0,1 мм/час. При этом минимальная толщина науглероженного упрочненного слоя металла – 0,8...1,0 мм, что достигается при термохимической обработке минимум за 10 часов.

Виды и способы цементации металла

В современной металлообрабатывающей промышленности используют четыре основных способа науглероживания поверхностного слоя деталей из низкоуглеродистых и легированных сталей:

в твердой среде;
жидкостный;
газовый;
вакуумный.

Кроме того, существуют и другие менее распространенные способы науглероживания стали с помощью специальных паст, а также в кипящем слое, который скорее можно назвать частным случаем газовой цементации. В качестве рабочей углеродосодержащей среды при обработке металлоизделия в кипящем слое используют эндогаз с метаном, который увлекает за собой атомы углерода из корунда и насыщает им поверхность металла. Такое взаимодействие внешне напоминает кипение, отчего и сам процесс получил свое название.

Установка для цементации металла называется карбюризатор, конструкция которого и принцип действия зависит от способа термохимической обработки стали.

Процесс цементации в твердой среде

Это самый древний способ науглероживания стали, основанный на непосредственном контакте металла с углем в высокотемпературной среде. Карбюризатор в данном случае представляет собой простой цементационный ящик, в который погружают древесный уголь и соли углекислоты со щелочными металлами. При этом количество угля может составлять до 90% от всего полезного объема карбюризатора, а фракция угольных частиц не должна превышать 10 мм.

В такую рабочую твердую среду помещают металлоизделие и выдерживают его на протяжении необходимого для достаточного науглероживания времени при температуре около 900°С.

Процесс цементации в твердом карбюризаторе происходит в герметичных условиях во избежание оттока углеродосодержащих газов. Длительность процесса науглероживания стали в твердой среде зависит от требуемой толщины упрочненного слоя металлоизделия.

Процесс цементации в жидкой среде

Основная рабочая углеродосодержащая среда – расплав солей (карбонаты щелочных металлов с низкой температурой плавления). Данный способ науглероживания стали протекает при температуре +850°С.

Деталь погружают в ванну с горячим расплавом солей и выдерживают ее в течение относительно короткого промежутка времени (до 3 часов), поскольку жидкостная цементация характеризуется сравнительно небольшой интенсивностью насыщения металла углеродом на глубину всего до 0,5 мм.

Преимуществом такого способа обработки стали является крайне низкий коэффициент деформации обрабатываемого металлоизделия и возможность закалки без иных промежуточных видов термообработки, что существенно сокращает себестоимость готового изделия.

Жидкостная цементация стали может проходить и в растворе электролитов под действием постоянного электрического тока напряжением – 150...300В и при температуре – 450...1050°С. Такая обработка металла называется термоэлектрохимической, а в качестве углеродосодержащей жидкой среды используют этиленгликоль, ацетон, глицерин и другие вещества, в формулу которых входит углерод.

Процесс цементации в газовой среде

Газовое науглероживание стали происходит в специальных печах при температуре 910...950°С с подачей углеродосодержащих газов, для получение которых чаще всего используют крекинг нефтепродуктов (в большинстве случаев керосина и газообразных углеводородов) или преобразование угарного газа в углекислый с выходом свободного атомарного углерода:

CH₄ = 2H₂ + C;
2CO = CO₂ + C.

Длительность выдержки деталей в печах при цементации в газовой среде составляет 12-15 часов при температуре 910...950°С. Толщина образовавшегося уплотненного слоя составляет не более 1,2 мм. При этом процесс газового науглероживания можно ускорить путем повышения рабочей температуры до 1000°С, снизив время обработки металла до 8 часов.

Газовая цементация имеет массу преимуществ в сравнении с обработкой металла в твердой среде. Однако такой процесс рентабелен лишь при массовом изготовлении металлоизделий, поэтому и применяется он лишь на крупных металлургических и металлообрабатывающих предприятиях.

Процесс цементации в вакууме

Вакуумное науглероживание стали позволяет добиться высокой прочности поверхностного слоя металла на глубину до 6,5 мм, что в разы больше в сравнении с аналогичным показателем других способов термохимической обработки.

Суть процесса вакуумной цементации стали в чередовании вакуума и нагнетании углеродосодержащих газов. Другими словами, этот способ можно также отнести к частным случаям науглероживания в газовой среде. Однако в отличие от классической технологии, в данном процессе используется эффект шокового диффузионного насыщения поверхности детали из низкоуглеродистой стали атомарным углеродом на достаточно большую глубину.

Цементация металла пастами

Этот способ больше всего подходит для цементации деталей машин и прочих металлоизделий из низкоуглеродистой стали «своими руками». В качестве углеродосодержащей среды используют пастообразную смесь угольной пыли или ацетиленовой сажи с кальцинированной содой, железосинеродистым калием, декстрином и связующим элементом, в качестве которого можно использовать отработанное моторное или веретенное масло.

В процессе такого способа цементации пасту необходимо наносить на металл толщиной в 6...8 раз превышающей необходимую глубину науглероживания стали. Далее деталь помещают в печь и нагревают до 1000...1100°С с выдержкой не менее двух часов.

Виды цементируемых сталей и их использование

Цементации подвергают легированную сталь, а также марки конструкционных стальных сплавов с низким содержанием углерода до 0,25...0,3%, такие как 18Х2Р4ВАб 12ХР3А, 20Х, 20 и т.п. Высокоуглеродистую сталь цементировать нет смысла, поскольку интенсивность диффузионного науглероживания будет незначительной.

Цементация, как элемент термохимической обработки деталей, получила широкое распространение при производстве машин и оборудования самого различного назначения – от простейших сельхозорудий и рабочих органов сельхозтехники, до деталей сложных технологических линий и механизмов, включая станки, автомобили, морские суда и авиатехника.

С помощью цементации удается существенно повысить прочность и эксплуатационные характеристики зубчатых колес, червячных передач, подшипников качения и скольжения, валов, клапанов и других деталей машин и производственных механизмов. Такая термохимическая обработка металла позволяет продлить срок службы деталей из стали за счет резкого снижения деструктивного влияния фрикционного износа и разрушительных ударных нагрузок.

←Обратно к списку