Цементация сталей: особенности и назначение процесса

• Суть и назначение процесса
• Методы цементации стали
• Цементация стали с твердым карбюризатором
• Цементация в газовой среде
• Особенности жидкостной цементации
• Цементация пастой
• Цементация в вакуумной среде
• Подведем итоги

Один из способов обработки поверхности металла – цементация стали. В процессе металлообработки поверхность насыщается атомарным углеродом, что приводит к улучшению показателей прочности и устойчивость к нагрузкам.

Суть и назначение процесса

Технология цементации стали начала применяться еще в девятнадцатом столетии. Этот метод схож с азотированием, однако в последнем случае использование азота способствует повышению антикоррозийных свойств сплава.

По своей сути цементация является химико-термической технологией. В процессе обработки, как упоминалось, поверхность насыщается атомами углерода, насыщение происходит за счет процесса диффузии.

Метод цементации обеспечивает:

• повышение твердости;
• повышение устойчивости к механическим нагрузкам;
• улучшение прочностных характеристик.

Цементирование применяют для низколегированных и углеродистых сортов стали. В зависимости от интенсивности воздействия, величина слоя может достигать 2,5 мм. С помощью технологии повышают прочность поверхности металла, при этом внутренние слои детали остаются вязкими.

Из основных особенностей технологии выделяют:

1. Важность соблюдения температурного режима. Оптимальное насыщение углеродом происходит при диапазоне от 850 до 950 °C.
2. Процесс диффузии происходит с низкой скоростью. Примерно 60 минут требуется для получения слоя в 0,1 мм.
3. Цементирование проводят для низкоуглеродистых сталей, сохраняющих способность к поглощению атомов углерода.
4. Обработку можно проводить в различных средах. Из наиболее распространенных методов цементирования стали относят использование карбюризаторов в твердом и газообразном состоянии, пасты-реагенты, электролитные растворы.

Методы цементации стали

В производстве используют различные методы цементации, которые различаются в соответствии с используемой средой:

• твердая;
• газ;
• жидкая;
• использование пасты;
• вакуумная.

Рассмотрим подробно каждый из методов.

Цементация стали с твердым карбюризатором

В качестве карбюризатора, за счет которого будет проходить насыщение верхнего слоя металла атомами углерода, используют древесный уголь и катализаторы (активирующие вещества). В качестве последних может выступать кальцинированная сода, углекислый барий и проч.

Процесс в твердой среде производится следующим образом:

1. Детали или заготовки предварительно подготавливают, тщательно очищая поверхность.
2. Для цементации заготовки укладывают чугунные или стальные емкости следующим образом: слой угля в деревянных ящиках, слой заготовок.
3. Количество слоев определяют в соответствии со стандартами технологии.
4. Необходимо делать отступы между стенками резервуара и обрабатываемыми деталями.
5. Между заготовками располагают карбюризатор слоем в 1-1,5 см, верхний слой карбюризатора должен быть от 3,5 до 4 см.
6. Емкость плотно закрывают крышкой, все зазоры тщательно герметизируют огнеупорными материалами (обычно используют глину или глиняно-песчаную смесь).

 Подготовленную емкость нагревают до температуры 930 °C. Необходимое время цементации рассчитывают с учетом необходимой величины углеродного слоя.

После выдержки в печи емкость охлаждают до 450-500 °C, затем открывают.

При твердой цементации обычно используют дубовый или березовый уголь, при этом необходимо измельчить уголь на мелкие фракции. Рабочий состав готовят сухим или влажным способом. В первом случае уголь посыпают кальцинированной солью, во втором – поливают раствором затем просушивают. При этом влажность полученного сырья не должна превышать 7%.

К преимуществам твердой цементации стали относят простоту процесса (можно использовать как на промышленных предприятиях, так и в кустарном производстве), а также невысокую стоимость. Из недостатков выделяют необходимость постоянно контролировать процесс и трудоемкость.

Цементация в газовой среде

Газовая цементация является более производительным процессом, поэтому в производственных условиях наиболее часто используют именно эту технологию.

В качестве среды используют побочные продукты распада нефтепродуктов, керосин, в некоторых случаях газы подвергают модификации, что позволяет увеличить глубину проникновения атомов углерода. Для проведения цементации применяют специальные закрытые печи. Как правило, для получения слоя в 1,1 мм требуется около 14 часов. Процесс производится при температуре 930-950 °C, в некоторых случаях для ускорения процесса науглероживания допустим нагрев до 1000-1500 °C.

К преимуществам цементации в газовой среде относят:

• высокую производительность;
• нет необходимости использовать смесь для науглероживания;
• возможность получать слой заданной глубины и насыщенности;
• снижаются риски деформации деталей и заготовок в результате неравномерного нагрева;
• возможность полностью автоматизировать процесс и обеспечить комфортные условия для оператора.

Также стоит отметить, что при использовании газовой среды закалку можно проводить непосредственно в печи. Это значительно упрощает процесс металлообработки. По своей сути цементирование является промежуточным этапом, для того, чтобы внешний слой детали приобрел нужную прочность, дополнительно проводят закалку стали. Процесс закалки не только способствует повышению прочности, но также позволяет снизить коробление металла, выровнять структуру и устранить дефекты, которые появились в результате нагрева до высоких температур.

Что касается недостатков газовой цементации, то можно выделить:

• процесс требует наличия дорогостоящего оборудования;
• к работе следует привлекать высококвалифицированный персонал;
• печь требует постоянно обслуживания, в том числе, проверку на герметичность и устранение дефектов.

При проведении газовой цементации стали необходимо четко соблюдать технический регламент и требования безопасности. От этого напрямую зависит безопасность оператора.

Особенности жидкостной цементации

Цементация стали в жидкой среде проводится с использованием растворов щелочных либо карбонатных солей. Обработка металла производится следующим образом:

1. В ванну помещают соляной раствор, постепенно повышают температуру до полного растворения частиц соли.
2. Детали и заготовки помещают в соляной состав.
3. Температура раствора должна составлять 850С.
4. Продолжительность цементации в соляной ванне – от полутора до трех часов.

 К преимуществам этого метода относят полное отсутствие деформации металла и равномерный слой покрытия, недостаток метода - небольшая глубина слоя, максимальный показатель – 0,5 мм.

Цементация пастой

Еще один метод цементации – использование специальных паст. В этом случае на поверхность металла наносят специальный состав, затем изделия складывают в металлическую (стальную или чугунную) емкость и загружают в печь для нагрева. При этом толщину слоя пасты рассчитывают таким образом, чтобы он в 6-8 раз превышал толщину необходимого углеродистого слоя. Время выдержки заготовок при высокой температуре – от 2 часов.

Для цементации стали используют пасту, в состав которой входят следующие компоненты:

• сажа;
• кальцинированная сода;
• древесная пыль;
• желтая кровянистая соль.

В качестве связующего компонента используются технические масла или строительные клеи. Как правило, технологию применяют на небольших производствах, не располагающих профессиональным оборудованием. Также этот метод нередко применяют домашние мастера.

К преимуществам науглероживания при помощи пасты относят простоту обработки и производительность процесса. Недостаток – неравномерный углеродистый слой.

Цементация в вакуумной среде

Использование вакуумной среды для науглероживания металлов – относительно новая технология. Основным преимуществом метода является значительное ускорение процесса. Обработка полностью автоматизирована, что позволяет получать ожидаемый результат и исключить ошибки.

Науглероживание в вакуумной среде происходит следующим образом:

• детали помещают в специальную камеру, в которой создают вакуум;
• затем производится нагрев заготовок до нужной температуры;
• когда детали нагреты, в вакуумную печь под давлением подают углерод, атомы газа активно внедряются в кристаллическую решетку стали.

Процесс подачи углерода может происходить в несколько этапов, это зависит от заданной толщины слоя. По окончании процесса науглероживания в камеру подают инертный газ и охлаждают заготовки.

К преимуществам вакуумной цементации относят:

• возможность получать слой с заданными параметрами, точно регулировать толщину и насыщенность углеродом;
• в газовой смеси отсутствуют частицы О2, что исключает окисление деталей;
• поверхность металла после обработки имеет светлый эстетичный вид;
• высокая производительность процесса и сокращение времени обработки.

К недостаткам относят только дорогостоящее оборудование и высокие требования к квалификации операторов.

Подведем итоги

Технология цементации активно применяется в области машиностроения. Этот метод позволяет увеличить прочность наружного слоя детали, сохранив внутреннюю вязкость. Поскольку верхний слой более плотный, в металле возникает сжимающее напряжение, которые в поверхностном слое преобразуются в остаточные напряжения, что также повышает прочность изделия.