- Особенности процесса
- Методы науглероживания
- Цементация в «жидкой» среде
- Цементация газом
- Цементация в вакууме
- Цементация в растворе электролита
- Науглероживание с использованием твердой среды
- Цементация с использованием паст
- Преимущества и недостатки
- Обогащение металла в домашних условиях
- Что же в результате?
Цементация стали – термическая обработка металла, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя обрабатываемого материала углеродом. Цементация направлена на изменение свойств стали, что дает возможность получать металлы желаемой прочности. Цементация проводится на низкоуглеродистых сталях (с содержанием углерода до 0,25%) для изменения свойств поверхностного слоя материала на дальнейших этапах обработки, например, для увеличения его твердости и устойчивости к абразивному износу, при этом, сердечник металла остается мягким и гибким. Содержание углерода в зоне цементации увеличивается до 1–1,3%, а глубина чаще всего составляет 0,5–2 мм. Чаще всего для цементации используются стали различного легирования с процентным содержанием углерода не более 0,3%.
Особенности процесса
Цементация стали представляет собой термический процесс, который имеет множество особенностей:
- Сталь может обрабатываться в твердой, газовой или жидкой среде.
- При равномерном нагревании в одной из этих сред поверхностные свойства стали изменяются – благодаря проникновению в металл углерода повышается его прочность и твердость, улучшается устойчивость к износу.
- Науглероживание легированной стали может проводиться при разных температурах. Так, если цементация происходит на производстве, манипуляции проводят при температуре до 1200 градусов Цельсия. Если цементацию стали проводят в домашних условиях, оптимальная температура нагрева составляет 500 градусов. Так как в процессе равномерного разогревания изменяется атомная решетка стали, ее поверхность получает аналогичные повторной закалке характеристики.
- Стали, используемые для науглероживания, часто содержат хром, который предотвращает перегрев и увеличивает прочность сердечника.
Можно сказать, что науглероживание в какой-то мере идентично закалке, однако в процессе ее проведения сталь становится более твердой, и приобретает высокие эксплуатационные характеристики.
Проводя цементацию стали в домашних условиях, не стоит ожидать быстрого итога, так как максимальная скорость процесса составляет около 0,1 в час, соответственно, чтобы провести науглероживание обычного кухонного ножа с целью упрочнения его характеристик (оптимальный размер упрочнения - 0,8 мм), нужно потратить не меньше 8 часов.
Методы науглероживания
Существует несколько методов цементация стали, некоторые из которых сегодня практически не применяются.
- Цементация в «жидкой» среде.
Выполняется путем погружения заготовок в расплавленные соли, которые представляли собой смесь хлоридов, карбонатов или цианидов щелочных металлов. Процесс проводится в следующем порядке:
- Ванны с расплавленными солями нагреваются до температуры 850 градусов.
- Стальные заготовки опускаются в ванны и оставляются там до завершения науглероживания.
Максимальная толщина слоя цементируемой в жидкой основе стали, составляет 0.5 мм – это приблизительно три часа.
Проходит при температуре около 920–950 градусов Цельсия в атмосфере окиси углерода. Науглероживающие газы очищаются, чтобы предотвратить отложение сажи на поверхности стали, которая может препятствовать поглощению углерода. Газовую среду используют при изготовлении двигателей. В процессе производства происходит обогащение стали углеродом вглубь на 2 мм. Процесс обогащения можно разделить на несколько этапов:
- Помещение заготовок в печь, разогретую до температуры 950 градусов.
- Подача насыщенного углеродом газа.
- Выдерживание металлических заготовок на протяжении 12 часов, в результате чего на поверхности стали образуется слой, толщиной до 1,2 мм. Для ускорения процесса температуру печей могут повышать более 1000 градусов.
Науглероживание, которое заключается в нагреве стали в вакуумной среде. Процесс обработки проходит следующим образом:
Заготовки из стали укладываются в печь, внутри которой создается вакуумная среда.
Печь разогревается до заданной температуры, при которой заготовки выдерживаются около часа. После этого в печь начинает поступать углеводородный газ, который и обогащает верхние слои металла.
Далее в печи снова создается вакуумная среда.
Слой необходимой толщины можно получить только после проведения трех аналогичных стадий.
Охлаждение стали проходит также в печи под воздействием инертных газов.
Заготовки помещаются в электролитный раствор, который нагревается до температуры 450 – 1000 градусов, после чего в него подают напряжение до 300 вольт. В ходе такого воздействия метал обогащается углеродом.
С этой целью используется твердый карбюризатор. При цементации в условиях производства используется смесь древесного угля, который получают из березы и дуба, и соль угольной кислоты, насыщенную щелочными металлами. Чтобы процесс обогащения проходил быстрее, смесь дробится до состояния мелкой фракции, размером в 10 мм. Процесс проводится в следующей последовательности:
- Подготовленную угольную смесь засыпают в ящики, куда укладывают и заготовки.
- Проводят герметизацию ящиков, которые потом на протяжении определенного периода прогревают со всех сторон до температуры 800 – 950 градусов.
Длительность обработки зависит от того, какая твердость должна быть предана заготовкам из стали.
Пасты, состоящие из пыли древесного угля, наносят на заготовки, после чего их помещают в индукционную печь, которая прогревается до температуры 1000 градусов. Паста наносится слоем, превышающим в 8 раз толщину предполагаемого углеродного слоя.
Преимущества и недостатки
Науглероживание позволяет получить твердые, износостойкие поверхности, применяемые как в быту, так и на производстве. Механизмы из стали, прошедшие процесс обогащения углеродом, гораздо сильнее защищены от повреждений из-за ударной нагрузки при более мягком сердечнике. В отличие от других процессов поверхностного упрочнения, этот процесс обычно используется для получения большей толщины углеродной пленки. К недостаткам можно отнести:
- Возможное изменение структуры металла.
- Науглероженные изделия нуждаются в финишной обработке.
- Для проведения работ требуется опыт и весьма дорогое оборудование.
Обогащение металла в домашних условиях
Для проведения работ в домашних условиях используется твердая среда. Науглероживание с применением твердой среды не нуждается в приобретении дорогостоящего оборудования и присутствии мастера с опытом работы в данной области. Чтобы провести цементацию, необходимо сделать карбюризатор. Для этого можно:
- Смешать древесный уголь (измельчив его до примерно одинаковых частиц) с одинаковым количеством соли.
- Древесный уголь изначально поливается соленой водой и просушивается.
Заготовки запекаются в жаропрочных ящиках, места соединений и щели которых герметизируются глиной. Ящики устанавливаются в печь, и равномерно нагреваются до температуры 700 градусов. При более низких температурах процесс обогащения увеличивается в несколько раз.
Что же в результате?
В результате науглероживания плотность верхнего слоя металла (нелегированные сплавы) достигает до 58 HRC, а на низкоуглеродистых сплавах – до 60 HRC. В результате изделия приобретают нужную твердость, а их сердечник остается вязким. При этом стоит учитывать, что в процессе обогащения может измениться структура сплава, и это является, как упоминалось выше, главным недостатком цементации. Чтобы нивелировать данное свойство, науглероженные заготовки подвергают закалке с последующим отпуском либо нормализацией (зависит от типа стали). В процессе закалки происходит образование феррита, что приводит к измельчению зерновой структуры. Чтобы избежать поверхностных деформаций, проводят низкотемпературный отпуск сплава.
Мягкие стальные сплавы, подвергнутые науглероживанию, имеют твердую поверхность и мягкий сердечник. Это означает, что цементированная низкоуглеродистая сталь тверже, но не является хрупкой. Сердечник в значительной степени сохраняет свою пластичность и прочность, будучи защищенным твердой поверхностью, при этом он позволяет изготавливать детали даже очень сложных форм (к примеру, внутренние компоненты машин).
Усиленная поверхность показывает лучшую устойчивость к износу и усталости – металлы, прошедшие науглероживание, способны выдерживать высокие нагрузки и служат гораздо дольше.