Цементация стали – зачем и как производится операция?

1 Процесс цементации стали – общие сведения

Под химико-термической обработкой стали понимают процесс нагрева изделий в жидкой, газовой либо твердой среде с целью изменения их химического состава, которое достигается за счет насыщения углеродом поверхностного слоя обрабатываемых объектов. Такое изменение существенно повышает износостойкость и твердость деталей. Причем их сердцевина остается вязкой.

Процесс цементации дает ожидаемые результаты в тех случаях, когда обрабатываются низкоуглеродистые стали, в которых содержание углерода не превышает показателя в 0,2 процента. Поверхностный слой изделия насыщается при его нагреве до определенной температуры (от 850 до 950 °С) в специально подобранной среде, способной без проблем выделять активный углерод.

При указанных условиях модифицируется не только химсостав детали, но и ее микроструктура, а также фазовый состав. Поверхность изделия становится упрочненной, по сути, она получает характеристики, аналогичные тем, которые получаются после закалки металла. При этом очень важно правильно подобрать длительность выдержки стали и температуру цементации.

Цементирование стали – это достаточно продолжительный процесс. Как правило, скорость насыщения поверхности и получения ей особых свойств равняется приблизительно 0,1 миллиметр за 60 минут выдержки. Для большинства деталей требуется упрочненный слой более 0,8 мм, а значит, процесс займет не менее 8 часов. Сейчас цементацию производят в следующих средах (их называют карбюризаторами):

• в газовой;
• в пастообразной;
• в твердой;
• в растворах электролитов;
• в кипящем слое.

Чаще всего, используется цементация в газовом и твердом карбюризаторе.

2 Цементация стали в твердой среде – в домашних условиях и на предприятии

Твердый карбюризатор делается из смеси углекислого натрия, бария или кальция с древесным углем (березовым либо дубовым), который дробится на небольшие фракции (от 3 до 10 мм), а затем с целью удаления пыли просеивается. Соли также необходимо измельчить до порошкообразного состояния и пропустить через сито.

Непосредственно смесь готовится по двум методикам:

• сухая соль и уголь перемешиваются максимально тщательно, чтобы исключить вероятность образования пятен в процессе химико-термической обработки стали;
• древесный уголь поливается солью, которую перед этим растворяют в воде, затем получившуюся композицию высушивают (влажность готовой смеси должна быть не более 7 %).

Вторая методика признается в разы качественнее первой, так как гарантирует получение равномерной смеси для насыщения поверхностей углеродом. Древесного угля в готовом карбюризаторе – от 70 до 90 %, остальная часть – углекислый кальций и углекислый барий.

Осуществляется твердая цементация в ящиках с карбюризатором. Оптимально, если ящики производят по форме тех изделий, которые предполагается обрабатывать, так как в этом случае качество цементованного слоя улучшается, а время, идущее на прогрев "тары", снижается. Чтобы исключить утечку газов, ящики замазывают глиной (огнеупорной) и накрывают плотно прилегающими крышками.

Отметим, что "тару" специальной формы (под конкретный вид изделий) экономически целесообразно изготавливать и использовать только тогда, когда химико-термической обработке подвергается множество деталей. Чаще же применяются стандартные по форме (квадратные, круглые и прямоугольные) ящики с разными геометрическими параметрами, что позволяет выбирать их в зависимости от числа изделий и размера печи.

В качестве материала для ящиков выступает малоуглеродистая или (что лучше) жаростойкая сталь. А сам процесс обработки в твердом карбюризаторе проводится по такой схеме:

• изделия, которые следует насытить углеродом, укладывают попеременно с приготовленной смесью в ящики;
• печь нагревается до 900–950 °С, в нее и подается "тара";
• выполняют прогрев ящиков при температуре от 700 до 800 градусов (такой прогрев называют сквозным), сигнализатором достаточного уровня нагрева служит однородный цвет подовой плиты (без темных мест под ящиком);
• поднимают до 900–950 °С температуру в печи.

При указанной температуре проходит диффузия в кристаллическую структуру металла активного углерода (его атомов). Теоретически возможна даже цементация дома, есть немало умельцев, которые выполняют данный процесс самостоятельно. Но эффективность "домашней" цементации находится на низком уровне из-за длительности обработки и необходимости обеспечить высокую температуру процесса.

3 Газовая цементация – оптимальный вариант для массовой обработки изделий

Теоретические основы такой цементации были разработаны С. Ильинским, Н. Минкевичем и В. Просвириным, а впервые осуществили ее на Златоустовском комбинате под руководством П. Аносова. Процесс производится в среде углеродосодержащих газов (генераторных, искусственных, природных) в полностью герметичных нагревательных печах. Самым популярным искусственным газом является состав, который получается при разложении нефтепродуктов. Изготавливают его следующим образом:

• в стальную нагретую емкость подают керосин, проходит пиролиз (разложение керосина на смесь газов);
• некоторый объем пиролизного газа (около 60 %) крекируют (модифицируют его состав).

Комбинацию крекированного газа и чисто пиролизного используют для проведения химико-термического процесса науглероживания. Необходимость в получении крекированного газа обусловлена тем, что при использовании только пиролизного состава получается недостаточная глубина цементирования стали, а на деталях, кроме того, оседает очень много сажи, которую не так уж и просто удалять.

Процесс газовой цементации проводится в конвейерных печах непрерывного действия (в методических) либо в стационарных агрегатах. В муфель печи помещают изделия, которые хотят упрочнить, закрывают установку, подогревают ее до 950 градусов, а затем подают подготовленный газ. Преимущества подобной процедуры по сравнению с обработкой деталей в твердом карбюризаторе:

• лучшие условия для рабочих;
• ускорение процесса за счет малой выдержки изделий и отсутствия потребности в долгом приготовлении карбюризатора с использованием угля.

4 Цементация в менее распространенных карбюризаторах

Цементация стали 20, 15, а также низкоуглеродистых легированных сталей (20ХГНР, 20Х2Н4А, 20Х, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХНЗА и других) может осуществляться в других карбюризаторах:

• Раствор электролита. Обработка данного типа базируется на анодном эффекте, который дает возможность насыщать в многокомпонентных электролитах (точнее – в их растворах) углеродом малые по размерам детали. Их разогревают до температур от 450 до 1050 градусов под напряжением 150–300 В. Дополнительно в электролит добавляют сахарозу, ацетон, глицерин, некоторые другие вещества, содержащие углерод.
• Кипящий слой. Такой слой представляет собой восходящий поток метана и эндогаза, "пронзающий" мелкие фракции корунда (от 0,05 до 0,2 миллиметров), помещаемые на печную газораспределительную решетку.
• Пасты. Цементация в этом карбюризаторе выполняется нанесением слоя пасты (желтая соль, древесная пыль, сажа) на металлическую науглероживаемую деталь, ее просушиванием, а затем нагревом (до 910–1050 °С) током высокой или промышленной частоты.

После цементации рекомендовано проводить дополнительную термообработку стали, например, отпуск. Допускается и шлифование металла (упрочненных деталей).