7 способов обработки стали путем цементации

С целью повышения технических и эксплуатируемых характеристик металлические заготовки подвергаются разного рода обработкам. Так, цементация – это химический и высокотемпературный процесс науглероживания стали, который способствует заметному повышению прочности, твердости и износостойкости стальной поверхности. Рассмотрим, что он собой представляет, какими способами проводится. Ознакомимся с достоинствами и недостатками процедуры в целом и в отношении применяемого карбюризатора.

В чем суть процесса

Название технологического процесса происходит от наименования химического соединения: цементит – карбид железа (соединение железа с углеродом). Зная это проще понять что такое цементация. Метод предполагает диффузионное внедрение активного (атомарного) углерода в структуру поверхностного слоя металла.

В качестве заготовок для обработки используются низкоуглеродистая либо легированная сталь. При этом если исходные показатели содержания углерода составляют всего 0,1-0,3 %, то после цементации значение может достигать 0,8-1,2 %. Такие значения действительны только для поверхностной прослойки толщиной до 0,1-3 мм.

Обработка металла происходит в условиях высокой температуры (от +850 ℃) совместно с тем или иным карбюризатором. Последний – это химическое соединение, при сильном нагревании которого выделяется атомарный углерод. На основании типа этого вещества проводится классификация методов цементации стали.

Методы цементации стали

Условно все методы можно объединить в три технологии: с жидким, твердым и газообразным карбюризатором. На практике различаются 7 способов науглероживания стали. Рассмотрим в общих чертах, чем отличаются эти методы с учетом их плюсов и минусов.

Газ

В качестве карбюризатора могут быть использованы природный или синтезированный газы с содержанием углерода. К первой группе относятся пропан, бутан и метан, ко второй, как правило, продукты нефтепереработки. Последние реже используются из-за образования сажи в результате распада вещества при сильном нагревании. Но даже этот факт не меняет того, что именно газовая цементация стали проводится в массовом производстве.

Суть процесса насыщения металла углеродом заключается в следующем:

• заготовки размещаются в печь с герметичной камерой;
• внутри постепенно задается температура от +910 ℃ до +950 ℃;
• в камеру подается газовый карбюризатор;
• в созданных условиях металл выдерживается в среднем 12 часов*.

*При +920 ℃ за 15 часов углеродом насыщается прослойка толщиной в 1,2 мм. Если обеспечить нагрев до +1000 ℃, то аналогичный результат будет получен за 8 ч.

Глубина науглероживания может достигать 2 мм. Методика позволяет равномерно воздействовать на всю заготовку, что является одним из главных плюсов. Такой подход способствует максимальному сохранению заданной деталям формы. Другое достоинство – после обработки сталь можно остудить только до +820-+850 ℃, чтобы провести закалку без повторного нагревания.

Вакуум

Вакуумная цементация проходит быстрее (до 4,5 часов), стоит дешевле (без учета оборудования), за счет отсутствия кислорода в печи исключается окисление металла. Но на фоне предыдущего способа процесс включает больше этапов. Правда, за счет автоматизации результаты полностью контролируются опытным персоналом.

Технология по действиям выглядит так:

• детали помещаются в холодную печь;
• внутри герметичной камеры создается вакуум;
• после ступенчатого нагрева внутри заданные условия поддерживаются в течение 20-60 минут (это зависит от размеров содержимого);
• в камеру подается природный газ под давлением в пределах 4-400 мбар;
• в течение установленного времени проводится диффузионное внедрение активного углерода в структуру металла;
• повторно создается вакуум *;
• выполняется охлаждение заготовок **.

   *   Для достижения определенной глубины науглероживания процедуры обогащения металла и создания вакуума могут быть проведены до 3 раз.

   **   Охлаждение выполняется двумя способами: на детали оказывается химическое воздействие со стороны инертных газов под разным давлением (азот, аргон, гелий) либо используются бочки с маслом для закалки металла.

Для применения метода вакуумной цементации могут быть использованы стальные заготовки с ограниченными по размерам параметрами. Но это не относится к форме и наличию отверстий, так как обрабатываются все поверхности на деталях равномерно, а деформацию можно контролировать (отклонения от заданной формы минимальные). Еще одно достоинство технологии – полная автоматизация с тщательным контролем со стороны операторов. Это позволяет добиваться идентичных результатов независимо от объема производства.

Нитроцементация

В этом случае помимо науглероживания осуществляется насыщение стальной поверхности азотом. Для создания эндотермической атмосферы здесь кроме природного газа (3-15 %) добавляется аммиак (2-10 %). Азот при вакуумной цементации используется как хладагент, а в случае с нитроцементацией происходит снижение рабочего температурного режима до +850-+870 ℃ (для цементации это +910-+1050 ℃). При этом временной интервал сохраняется, а вероятность деформации металла снижается.

Применяется технология к сортам стали, в которых изначальное содержание углерода не превышает 0,25 %. Продолжительность обработки деталей составляет 4-10 часов, эффективность при этом может достигать 0,2-0,8 мм.

В заводских условиях также практикуется низкотемпературная нитроцементация. В этом случае создаются условия нагрева рабочей среды до +570-+700 ℃. В результате за 1,5-3 часа заметно повышается уровень износостойкости заготовки за счет образования тонкого карбонитридного покрытия.

Смесь из твердых компонентов

Главным компонентом твердого карбюризатора является древесный уголь, что получают из березы или дуба. Его содержание может достигать 90 %. С целью ускорения цементации добавляются кальцинированная сода, углекислый барий и другие щелочные металлы. На их долю может приходиться 10-40 %. Пример рабочей смеси по ГОСТу 2407-51:

• углекислый барий – 20-25 %;
• древесный уголь – 20-40 %;
• углекислый кальций – 35-55 %.

Компоненты сначала дробятся, пропускаются через сито для получения гранул с фракцией от 3,5 до 10 мм. Далее можно использовать замешанный состав сразу либо приготовить более эффективную массу. Последняя подразумевает замачивание угля в солевом растворе с его последующей просушкой до показателя относительной влажности в 7 %.

Науглероживание стали с таким карбюризатором проводится так:

• рабочая смесь насыпается в ящик из жаропрочной стали;
• детали погружаются в уголь (укрывной слой – до 30 мм);
• емкость накрывается крышкой и герметизируется;
• заготовки помещаются в печь;
• в камере обеспечивается постепенный нагрев до +700-+800 ℃;
• после визуального анализа равномерности прогрева металла (по цвету) температура поднимается до +850-+950 ℃, что зависит от желаемого результата;
• осуществляется поддержание условий в течение 10 часов для насыщения поверхностного слоя толщиной в 1 мм *.

   *   Для сокращения срока до 5 ч температура поднимается до +980 ℃, в состав добавляются катализаторы.

Для герметизации ящиков до их размещения в печи используется жаропрочная шамотная глина с содержанием асбеста (5-10 %). Этот же состав можно нанести на заготовки, если есть участки не подлежащие цементации. Метод науглероживания стали с помощью твердого карбюризатора практикуется при производстве штучных деталей либо ограниченных партий.

Также практикуется техника в домашней мастерской за счет простоты процесса. Но сложность возникает с созданием нужного температурного режима. Выходом из ситуации обычно является увеличение временного промежутка за счет снижения температуры до +500 ℃.

Паста

Этот способ редко применяется на практике. Как правило, выполняется разовый заказ. Для приготовления пастообразной массы используются такие компоненты:

• сажа – 38-70 %;
• пыль от древесного угля – 20-60 %;
• желтая кровяная соль – 5-20 %;
• кальцинированная соль – 5-10 %;
• вяжущее вещество – органоминеральный, органический или неорганический клей, техническое масло.

Полученный состав наносится на рабочую поверхность максимально равномерным слоем. Его толщина определяется нужной глубиной науглероживания стали – применяется коэффициент равный 6-8 единицам. Когда покрытие высохнет деталь размещается в индукционной высокочастотной печи, где обеспечивается повышение температуры в пределах от +900 ℃ до +1050 ℃.

На получение ожидаемого результата уходит 2 часа или больше, но уже это указывает на высокую производительность. Простота технологии позволяет наладить домашнее производство. Но результат на практике выходит относительно низкого качества, так как невозможно пасту нанести всегда равномерно с соблюдением нужной толщины.

Жидкий соляной раствор

Раствор для цементации стали – это расплавленные карбонатные соли щелочных металлов с низкой температурой плавления. Готовится он в рабочей ванне в условиях постепенного нагревания массы. По достижении нужной консистенции в состав погружаются стальные заготовки, температура далее повышается до +850 ℃. Технически для насыщения поверхности углеродом требуется всего 3 часа. Но результат на практике может достигать только 0,55 мм – главный недостаток метода.

Электролитический раствор

Суть метода основана на том, что под действием тока в растворе электролита образуются свободные атомы углерода. То есть заготовки (только маленькие) погружаются непосредственно в рабочий состав. Чаще это смесь из таких компонентов:

• сода – 75-85 %;
• хлористый натрий – 10-15 %;
• карбид кремния – 6-10 %.

В зависимости от ожидаемого результата сначала обеспечивается нагрев среды до заданных пределов: от +450 ℃ до +1050 ℃, чаще от +850 ℃ до +860 ℃. После этого подается напряжение в пределах 150-300 В. За 1,5-2 часа результат насыщения стальной поверхности достигает глубины 0,3-0,4 мм.

Результаты процесса цементации

Науглероживание способствует повышению прочности и твердости верхнего слоя стальной заготовки. При этом вязкость срединной части детали сохраняется. В итоге происходит компенсация вибрационной или ударной нагрузки на изделие, оно сохраняет заданную форму. Это востребовано в машиностроении, в производстве оборудования и строительного инструмента.

Но стоит отдельно заметить, что процедура цементации за счет высокотемпературного рабочего режима негативно влияет на структуру поверхностных слоев стали.

Чтобы исправить ситуации, производители прибегают к процессам закалки, двойной закалки и к холодному отпуску. То есть в сумме на получение готового продукта уходит много времени и ресурсов, за чем следует удорожание исходных заготовок. С другой стороны – технические и эксплуатационные характеристики впоследствии окупаются.

Коротко о главном

Цементация – высокотемпературный химический процесс, результатом которого является упрочнение поверхностного слоя стали путем его насыщения атомарным углеродом.

Проводится науглероживание стальных заготовок при температуре от +570 ℃ до 1200 ℃. Чаще рабочая среда нагревается до +810-+870 ℃. В условиях при +7010 ℃ и ниже проводится нитроцементация с целью повышения износостойкости стальной поверхности.

Чаще в качестве карбюризатора используются углеродсодержащие газы, реже применяются смеси на основе древесного угля или сажи, соляной либо электролитический раствор.