Особенности цементации стали в промышленных и домашних условиях

Популярный способ обработки металлических изделий для укрепления поверхностного слоя и повышения износостойкости — цементация. Технологический процесс основан на принципе насыщения поверхности сплава углеродом. Работы могут производиться в различных средах, множеством разных способов, но обязательно под воздействием высоких температур. Каждому из методов свойственен специфический набор достоинств и недостатков. При необходимости науглероживание можно провести самостоятельно: процесс не требует специального обучения или профессионального оборудования.

Виды цементации

Целью осуществления цементации является создание на поверхности металлических изделия устойчивого защитного слоя, обеспечивающего повышение прочностных характеристик (в том числе твердости и износостойкости).

Виды цементации:

• твердую обработку металлических поверхностей;
• науглероживание в газовой среде;
• жидкостную (на основе солевых растворов);
• цементацию посредством покрытия пастой;
• вакуумную;
• нитроцементацию с одновременным насыщением поверхности деталей углеродом и азотом.

Каждый из этих видов применяется для разных типов производств.

Цементация в твёрдом карбюризаторе подходит для мелкосерийного производства, а газовая – для постоянных и крупных партий.

Современные методы науглероживания стали разрабатываются с учетом необходимости сокращения процесса. Цементация с бором, титаном и ниобием, а также замена низколегированной углеродистой стали на мелкозернистую, позволяют компенсировать затраты производства и увеличивать прибыль приобретателя деталей из такого металла. На данный момент, подобная практика ведется только за рубежом.

Твердая цементация стали и других металлов

Обработка данным методом осуществляется в твердой среде. В качестве карбюризатора для данной процедуры используют специальную сухую или влажную смесь солей с измельченным древесным углем. Соотношение компонентов — разное, наиболее распространен следующий состав (по ГОСТ 2407-51):

Процесс включает следующие этапы:

1. Обработанное изделие очищается от жиров, окалины, грязи, коррозии;
2. поверхность детали покрывается огнеупорной глиной (доля асбеста от 5 до 10%);
3. все конструкции размещаются в специальную форму, сделанную из огнеупорной стали: детали чередуются с карбюризатором (толщина смеси не более 30 мм);
4. заполненный ящик герметизируют и покрывают огнеупорной глиной;
5. форма помещается в охлажденную печь, которая постепенно разогревается до 850-950 градусов;
6. по окончании обработки детали охлаждаются естественным образом (без изъятия из формы), затем происходит их термическая обработка.

Преимуществом данного способа является получение высокой степени науглеводораживания.

Основной недостаток — большая трудоемкость процесса.

Сфера применения твердой цементации включает как промышленные производства, так и кустарные. Благодаря простоте и относительной безопасности данный метод стал наиболее распространенным способом домашней обработки стали и металлов.

Газовая цементация

В основе данного метода — технология обработки поверхностей металлических изделий в среде углеродсодержащих газов, как природного, так и искусственного происхождения. В большинстве процессов используется газ, образующийся в результате разложения нефтепродуктов. Процесс его производства осуществляется следующим образом:

1. Керосин подается в нагретую стальную ёмкость, в результате чего образуется смесь газов;
2. Газовый состав подвергается крекингу.

Газовая цементация осуществляется с применением полученной смеси. Проведение процедуры углеродного насыщения только с помощью пиролизного газа опасно возможностью появления больших объемов копоти и сажи на поверхности цементируемого изделия. Толщина науглероженного слоя не будет достаточной. На исправление этих недостатков будет необходимо гораздо больше трудозатрат.

Существует два типа печей, используемых для науглероживания металла в промышленных условиях:

1. стационарные,
2. методические.

Температура в печи при цементации достигает 950 градусов Цельсия. Газ подаётся непосредственно в нагретую печь и находится на протяжении времени, необходимого по технологическому процессу. Печи должны плотно закрываться.

Метод газовой цементации имеет несколько неоспоримых преимуществ для массового использования:

1. комфортные условия работы для операторов при соблюдении техники безопасности;
2. ускорение производства за счет быстроты достижения эффекта, так как в газовой среде продолжительность процесса обработки конструкций меньше;
3. метод не предполагает использование смеси для науглероживания.

Недостатки данного метода цементации:

1. Высокая трудоемкость процесса — потребуется найм высококвалифицированного персонала для грамотного осуществления процесса;
2. повышенные требования к соблюдению правил безопасности.

Жидкостная цементация

Для жидкостного науглероживания поверхностей деталей применяются концентрированные растворы карбонатных и щелочных солей.

Алгоритм действий при жидкостной цементации металлических деталей:

1. солевая смесь расплавляется в ванне в результате постепенного повышения температуры;
2. в нагретый расплав погружаются обрабатываемые детали и конструкции;
3. процедура осуществляется при температуре 850°С, продолжительность — от 1,5 до 3 ч;
4. после того, как на поверхности изделий формируется защитный слой толщиной не менее 0,55 мм, изделия вынимают из раствора.

Преимуществом данного способа является малый процент деформации: весь процесс закалки осуществляется внутри цементационной ванны.

Цементация пастой

В основе данного метода лежит принцип обработки материала пастообразными карбюризаторами, затем детали погружаются в металлические ёмкости и помещаются в печь. Продолжительность термического воздействия (температура не менее 900 градусов Цельсия) составляет от 2 часов (в зависимости от типа изделия).

В состав пасты для науглероживания металлических деталей входят:

• Сажа (33-70%) — применяют газовую, голландскую, ацетиленовую и т.д.;
• Кальцинированная сода (5-10%);
• Древесная пыль (20-60%)
• Желтая кровяная соль (5 — 20 %)
• Связующий ингредиент (строительный клей, техническое масло и т.д.).

Слой обмазки должен в 6-8 раз превышать требуемую толщину конечного защитного слоя.

Главное преимущество пастообразной цементации — высокие показатели производительности.

Основной недостаток — неравномерное покрытие поверхностей цементирующим слоем.

Пастовая цементация лучше всего подходит для применения в кустарных условиях, для штучного производства, дома.

Вакуумная цементация

Суть вакуумной цементации заключается в проведении процедуры при низком давлении, менее 0,019 атмосфер. Процесс науглероживания поверхности изделий осуществляется с применением ацетилена, поступающего в печь через сосуды Дьюара. После завершения процедуры детали охлаждаются либо нейтральным газом, либо при помощи масла.

В современной промышленности представлены также технологии цементации, основанные на использовании пропана и этилена.

Преимуществами метода являются:

• низкая себестоимость процесса по сравнению с другими методами,
• малая продолжительность обработки деталей: за счет более высокой температуры продолжительность процесса уменьшается (с 11 до 4,5 часов),
• более активный массообмен углерода и поверхности обрабатываемой детали;
• обработанная сталь не окисляется и не обезуглероживается;
• возможность достижения однородности слоя по сечению даже для сложных конструкций и отверстий;
• исключено появление сажи;
• сниженный риск внезапных изменений формы детали при повышении температуры, а также возможность регулирования подобных деформаций;
• компьютерный контроль процедуры и её автоматизация.

В качестве недостатков выступают:

• рост зерна аустенита у цементируемых низколегированных сталей (вследствие повышения температуры);
• изменения характеристик металлических деталей в результате взаимодействия ацетона и ацетилена, в том числе их твердости и износостойкости;
• трудоемкость обслуживания оборудования;
• формирование осадка с примесями, конденсат, который не повреждают само оборудование, но пагубно влияет на дальнейшие циклы науглероживания металлов.

Нитроцементация

Одновременное насыщение металла углеродом и азотом в газовой камере называется нитроцементацией. Защитный слой для металлической детали появляется в результате одновременной диффузии обоих газов в аустените.

Технические параметры процедуры:

1. продолжительность обработки — от 4 до 10 часов;
2. толщина слоя от 0,2 до 0,8 мм;
3. требования к стали — содержание углерода не более 0,25%;
4. осуществление процесса в эндотермической атмосфере с добавлением природного газа (от 3 до 15%) и аммиака (2-10%).

Науглероживание металла с азотом в основном производится при температурах от 800 до 860 градусов Цельсия. Различий между нитроцементированным слоем и простым науглероженным слоем, полученным при этих температурах по существу, нет.

При проведении цементации с азотом при 700° С и ниже, на защитном покрытии детали образуется слой соединений газов с железом, повышающий износостойкость конечного продукта. Уже существуют проекты, предусматривающие применение углеродно-азотистого закаливания с температурой 700° С для деталей с пониженной износостойкостью.

Преимуществами метода являются:

• высокие показатели скорости диффузии углерода;
• производительность: скорость роста защитного слоя при нитроцементации в одинаковых температурных условиях (850-860° С) выше, чем при стандартном режиме науглероживания;
• использование более низкого температурный режим, что не только оказывает положительное влияние на саму обрабатываемую деталь, но и на печное оборудование, минимизируя его износ и увеличение размеров аустенитного зерна;
• не нужно проводить дополнительную закалку после нитроцементации и подстуживания металла до более низкой температуры, так как сам процесс производится при минимальных для цементации температурах.

Недостатки нитроцементации:

• высокие показатели токсичности используемых в процессе компонентов;
• изменение технических параметров обрабатываемых материалов (в том числе снижение показателей прочности).

Науглероживание металла с азотом при температуре от 800° С на данный момент наименее затратная процедура, как и цементация сильно нагруженных деталей, шестерней и зубчатых колёс.

Технические характеристики металлических изделий после цементации

1. В результате цементирования на поверхности легированной стали образуется равномерный защитный слой твердостью 60-64 HRC.
2. При цементации в условиях термической обработки (более 700 градусов Цельсия) возможны незначительные изменения структуры металла.
3. Во время процедуры на поверхности сплава образуются феррит и перлит, измельчающие зерно металла (обусловлено высокой температурой произведения окончательной закалки – до 900 градусов Цельсия)

С целью корректировки крупной зернистости, после окончания процедуры цементации металлические изделия подвергаются дополнительной обработке:

• для большинства видов сплавов применяются вторичный нагрев и закалка в воде (происходит при температуре 750-780 градусов). Далее осуществляется их отпуск (в диапазоне от 150 до 180 градусов Цельсия) или нормализация. Повторный нагрев и закалка детали избавляют от крупнозернистости металла.
• для легированных сталей используется только нормализация, без закалки.

Результатом сквозного прогрева металлического изделия является формирование мартенсита в средней части детали. Методика обработки детали после цементации определяется её маркой. Чаще всего применяется отпуск в низкотемпературной среде.

Альтернативные способы повышение износостойкости металлов

• Фосфатирование – обработка металла фосфатами железа и марганца. Эти вещества образуют защитную фосфатную пленку на поверхности детали. Такая пленка необходима для предохранения металла от окисления под воздействием высоких температурах. Способ обработки широко распространен при изготовлении цилиндровых втулок и других механизмов дизелей.
• Анодирование – технология обработки алюминиевых конструкций и деталей с целью увеличения показателей прочности и износостойкости. Поверхность изделий из алюминия подвергается окислению в сернокислой ванне. Основной активный компонент, используемый при анодировании — атомарного кислорода. Процесс сопровождается напряжением до 120 В.
• Сульфидирование – процесс обработки и насыщения поверхности металлических деталей серой.
• Борирование — использование борных реагентов для покрытия поверхностей никелевых, кобальтовых и других металлов, результатом является повышение антикоррозийности, устойчивости и твердости изделий.

Особенности и правила осуществления цементации стали в домашних условиях

Обычно процедура науглероживания металла происходит на специализированных производственных предприятиях. Есть возможность наладить процесс тем, кто занимается изготовлением стальных или медных изделий в частном порядке.

Цементацию своими силами не проводят для углеродистых сталей.

Цементация стали в домашних условиях подразумевает выбор технологии твёрдой среды.

Технология приготовления смеси

Процесс производства в кустарных условиях твердого карбюризатора осуществляется по следующей схеме:

1. раздробить уголь (древесный, лучше всего из березы или дуба) на фракции размером 3-10 мм;
2. просеять полученную угольную массу;
3. смешать соли (в зависимости от концентрации) и просеять полученную массу до получения однородной смеси;
4. соединить угольную и солевую массы одним из 2 способов:

• перемешать в сухом состоянии;
• растворить солевую смесь в охлажденной дистиллированной воде, затем полученный раствор заливается на измельченный уголь.

Готовая смесь должна быть однородной — это позволит избежать пятна в процессе обработки металла.

Пошаговая инструкция цементации в домашних условиях

1. В изготовленный из нержавеющей стали ящик со смесью помещается обрабатываемая деталь. Необходим правильный расчет количества карбюризатора на размер заготовки.
2. Подготовка печи, в том числе обеспечение полной герметичности.
3. Первоначальный, или сквозной прогрев печи до 700 градусов Цельсия. Если цвет поверхности ящика в печи однороден, возможен переход на следующий этап.
4. Нагрев среды до максимальной необходимой температуры. При обработке конструкций сложной формы важно обращать внимание на равномерность прогрева поверхности с целью избежания появления необработанных участков.

Для чего нужно цементировать сталь самостоятельно

Цементация и нитроцементация металла – процедура, часто проводимая частными изготовителями ножей, клинков, мечей, кольчуг и других элементов исторических реконструкций.

Процесс цементации требует много времени, для покрытия защитным слоем в 0,8 мм потребуется не менее 8 часов.

Печи, ящики для цементации, химические реактивы для цементации дорогие, поэтому нередко конечный продукт имеет заоблачную цену.

Наиболее простым и широко применяемым методом повышения износостойкости металлических сплавов, в том числе и в домашних условиях, является цементирование. При соблюдении алгоритма процесса, техники безопасности и тщательного контроля на всех этапах домашнее цементирование металла позволит продлить жизнь деталям любого механизма.

Используемая литература и источники:

• Металловедение для машиностроения. Справочник: моногр. / К.Г. Шмитт-Томас. — М.: Металлургия, 1995.
• Справочник металлиста. В 5 томах (комплект из 6 книг). — Москва
• Теоретические основы процессов спекания металлических порошков. Учебное пособие / Ю.В. Левинский, М.П. Лебедев. — М.: Научный мир, 2014.
• Статья на Википедии