Какой бывает цементация стали и как ее делают?

На сегодняшний день в промышленности существует множество способов укрепления металла. Одним из них является цементация, которая активно практикуется на производстве и в домашних условиях много лет. Тем, кто работает со сталью и желает сделать ее прочнее, необходимо в обязательном порядке знать все тонкости этого процесса.

Цементация – это химико-термическая обработка определенных типов стальных сплавов. Само название процесса указывает на то, что его назначение и конечная цель – укрепление металла. Как известно, сталь, применяемая в промышленности, должна быть крепкой, долговечной, не склонной к износу. Для этого и проводят цементацию.

Благодаря нагреву начинает выделяться большое количество углерода, который насыщает поверхность обрабатываемого сплава. Процесс в целом очень похож на азотирование. При этом важно отметить, что укрепляется исключительно поверхность металла. Внутри он остается таким же вязким, как и до обработки.

Цементацию можно проводить не со всеми видами сталей, это обязательно нужно учесть. Обычно цементации подвергают сплавы с низким содержанием углерода (максимальная глубина – 0,2%), некоторые виды легированных сталей (тоже с минимальным количеством углерода), среднеуглеродистые сплавы. Последние целесообразно цементировать в том случае, если они применяются для выполнения больших по габаритам изделий, чья сердцевина должна сохранить вязкость.

Цементировать можно машиностроительные сплавы, арматурные, те, что идут под строительные работы. Наиболее популярные марки – 20Х, 40Х, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА, 15 и другие. Стали с высоким содержанием углерода (более 0,2%) цементации не подвергают.

Есть несколько способов того, как правильно цементировать сталь. Узнаем особенности каждого из них.

Карбюризаторы – это вещества, содержащие углерод. При нагревании они способны выделять его в воздух, насыщая таким образом поверхность сплава. В их качестве может выступить уголь березы или дуба, а также торфяной кокс, но он применяется гораздо реже. Количество карбюризаторов будущего состава для обработки – около 90%. Перед процедурой уголь необходимо подробить, а потом просеять, чтобы в составе не было пылевых частиц. После этого карбюризатор смешивают с активным веществом. В его роли обычно выступает углекислый натрий, но иногда берется и барий.

Перемешивать вещества надо долго и скрупулезно, в противном случае на стали после обработки появятся полосы, пятна, разводы. Во время второй методики активное вещество размешивают в воде и поливают им уголь. Это более качественный способ соединить компоненты, но надо учесть, что при закладывании в печь уголь должен иметь влажность не более 7%.

Цементация изделий осуществляется с помощью особой тары. Ящики должны соответствовать формам обрабатываемых деталей, а также свободно помещаться в печь. Кроме того, тару лучше покрыть огнеупорной глиной, которая позволит избежать утечки газа во время обработки. Лучший материал для изготовления таких ящиков – сталь с высокими показателями жаростойкости.

Этот вид обработки осуществим только на специально оборудованных для этого предприятиях. Он более эффективен, так как из газа углерод высвобождается быстрее. При этом газы могут быть искусственными или природными, значения это не имеет. В основном для обработки берется газ, полученный после распада нефтяных продуктов. Чтобы его получить, в разогретую емкость из стали наливают керосин. Он начинает испаряться, модифицируясь в газ. Позже добытый газ крекируют.

Техника безопасности – важнейшее условие, так как работа идет с газом. Емкости со сплавом помещаются в печь, дверцы последней герметизируются. Печь нагревается до температуры в 950 градусов и в нее начинают подавать газ. Время выдержки, как и в предыдущем случае, будет различным. Но в среднем, если довести температуру до 1000 градусов, то необходимый углеродный слой будет готов уже через 8 часов. Процедура науглероживания завершается закаливанием сплава.

Эта методика также осуществима только на предприятии. Для нее понадобится специальная печь, которая так и называется – «печь кипящего слоя». Сталь здесь цементируется во время того, как проходит через раскаленный поток газа. Нагрев при процедуре равномерный, поэтому любая деформация детали практически исключена. После процедуры в обязательном порядке проводят отпуск или шлифование сплава.

Эта методика во многом схожа с гальванизацией. Она подходит для малогабаритных деталей. Для осуществления процедуры потребуется печь-ванна. Ее заполняют специальным раствором.

При этом следует поддерживать напряжение в 150 В (для некоторых типов деталей – до 300 В). Заготовки погружаются в уже нагретую среду. Двух часов хватит, чтобы слой углерода составил 0,4 мм.

Обработка пастой наиболее часто осуществляется в домашних условиях. Такая процедура не подходит для производства, поставленного на поток, потому что слой пасты равномерно, по сантиметру, нанести невозможно. Деталь в любом случае будет обработана неоднородно. Зато скорость обработки гораздо выше.

Затем состав наносят на деталь, стараясь, чтобы слой получался как можно более ровным. Толщина зависит от желаемого углеродного слоя. В основном она должна его превышать в восемь раз. После того как паста немного высохнет, детали помещают в печь индукционного типа. Последнюю разогревают до 1000 градусов. Заготовки там должны находиться не менее двух часов.

Это еще один вид цементации, осуществляемый на производстве. Методика эффективная, она не занимает много времени, автоматизирована, низка по цене. Во время процедуры детали помещают в охлажденные печи, закрывают, избавляются от воздуха внутри. Затем нагревают агрегаты до требуемой температуры. Детали должны подвергаться нагреву примерно два часа, это позволит очистить их поверхность от ненужных примесей.

Газ качественно насыщает поверхность обрабатываемых деталей. Однако за один раз необходимый слой не сформировать, поэтому процедуру повторяют примерно три раза. После окончания всех этапов печь наполняют инертным газом. Он способствует остыванию деталей.

Важно: любой из видов цементирования стали подразумевает дальнейший отпуск сплава.

Основные методики науглероживания стали мы уже рассмотрели. Если сплав цементируется в домашних условиях, то лучше всего выбрать методику обработки в твердом карбюризаторе. Рассмотрим ее пошагово.

1. Детали, которые нужно обработать, аккуратно укладываются в ящики. Надо класть так, чтобы заготовки не соприкасались друг с другом или боковыми частями тары.

2. Затем уложенные детали пересыпают карбюризатором так, чтобы он полностью накрыл их. Герметизируют.

3. Емкости помещают в печь, последнюю нагревают до 700 градусов. Это так называемый сквозной прогрев. При этом за тарой надо постоянно следить. Она не должна покрываться пятнами, полосами. Ровный цвет обязана иметь и подовая плита.

4. Затем температурные показатели увеличивают. Для высвобождения углерода надо довести их до 800 градусов минимум, а еще лучше – до 950.

5. Время, затраченное на процедуру, может быть совершенно разным. Все зависит от назначения детали и требуемого углеродного слоя. Период нахождения в печи варьируется от 6 до 20 часов.

После завершения процедуры изделия подвергаются естественному охлаждению, при этом из емкостей их не вынимают. Затем проводят дальнейшие термические обработки.

При должных умениях и минимальном оборудовании мастер может укрепить детали самостоятельно. Однако стоит учитывать, что обрабатывать сталь дома лучше, если вы планируете постоянно этим заниматься. Оборудование, реактивы и другие нужные вещи будут стоить очень дорого.

После окончания науглероживания стальной сплав приобретает необходимую твердость, причем внутренняя его структура остается вязкой. На легированных сплавах твердость может достигать 58 HRC, а на сталях с низким содержанием углерода – 60 HRC. Однако стоит учитывать, что структура сплава после процедуры может измениться, и это один из главных недостатков цементации.

Чтобы полученная сталь не была крупнозернистой, после описанной обработки ее нужно заново нагреть и закалить. Далее проводятся такие процедуры, как отпуск и нормализация состава. Закаливать сплав нужно при температуре, достигающей 900 градусов максимум. Она позволяет получить феррит, а также перлит.

​​​​​Легированные стали не закаливают. Для них проводят только нормализацию, получая, таким образом, мартенсит. После нормализации осуществляют отпуск сплава, позволяющий снизить до минимума вероятность деформаций от влияния высоких температурных показателей.