С использованием небольшого набора необходимого оборудования и реагентов действительно можно произвести качественную цементацию поверхности заготовок самостоятельно. Однако такая возможность актуальна в основном для тех, кто планирует постоянно работать с металлом, так как затраты на расходные материалы и устройства для такой обработки довольно высоки.
Цементация стали: разбираемся в особенностях процесса
Цементация стали представляет собой технологический процесс, целью которого является укрепление данного металла. Эта техника широко используется как в промышленности, так и в повседневной практике, поскольку существует множество методов, позволяющих достичь необходимых характеристик металла.
Несмотря на название, в процессе цементации цемент или его аналоги не применяются. Действие, связанное с этим процессом, подразумевает нагревание деталей в различных средах. В данной статье мы рассмотрим методы цементации, детально разберем технологические операции, а также проанализируем свойства стали после проведения обработки.
Суть цементации стали
В историческом контексте существовала простейшая технология: железный клинок или другое подобное изделие помещали в разогретую печь в герметично закрывающемся сосуде, заполненном углем, на несколько суток. Умельцы заметили, что такое выпекание делает наружные слои металла значительно тверже, в то время как пластичное железо основного тела изделия сохраняло свои свойства.
Столь простой, но эффективный метод позволял насытить железо углеродом, тем самым улучшая его резкие свойства и повышая прочность. В дальнейшем эта техника, получившая название цементации стали, эволюционировала, принимая различные направления.
Цементация описывает термообработку металла, в которой материал взаимодействует с определенной химической средой для улучшения своих характеристик. В качестве обрабатывающих сред могут использоваться жидкости, газовые смеси или твердые реагенты, нагрев которых приводит к выделению свободных атомов углерода.
В результате диффузного проникновения углерода во внешние слои стали происходит изменение её свойств. Глубина проникновения углерода зависит от типа обработки и может достигать величины в несколько миллиметров.
Основная задача цементации стали заключается в повышении устойчивости деталей к вибрациям, ударам и истиранию. Насичение углеродом предназначено для улучшения характеристик внешних слоев стальной детали:
- Существенно улучшаются свойства поверхностных слоев, в то время как пластичность и упругость основного металлического корпуса сохраняются. После завершения обработки поверхность становится более устойчивой к истиранию, а сама деталь с лёгкостью переносит рабочие нагрузки.
- Твердость, достигнутая в ходе цементации стали, сопоставима с теми значениями, которые можно получить в результате традиционной закалки.
- При цементации стали критически важны как температура, так и соблюдение установленных временных интервалов воздействия. Оптимальной температурой для насыщения стали углеродом считается диапазон от +850 °С до +950 °С.
- Диффузионное насыщение имеет низкую скорость. В среднем для цементации всего 0,1 мм металла требуется около часа. Обычно минимальная глубина насыщения сплава составляет 0,8 мм, следовательно, для получения детали, готовой к дальнейшей обработке, потребуется от восьми часов.
- Такой обработке подлежат легированные сплавы и стали с низким содержанием углерода, обладающие достаточно высокой способностью к поглощению атомов углерода.
- Цементация осуществляется с использованием различных сред. Чаще всего применяются методы термообработки с карбюризаторами как в твердом, так и в газообразном состоянии. Для обогащения металла углеродом также используют технологии, основанные на применении доведенных до кипения электролитных растворов и углеродосодержащих пастообразных реагентов.
В производственных условиях наибольшее распространение получили газообразные и твердые карбюризаторы.
Какие стали подвергаются цементации
Данная технология применима для следующих категорий стали:
- Углеродистые с содержанием углерода от 0,1 до 0,25%. Они хорошо цементируются, образуя плотный твердый поверхностный слой.
- Низколегированные, которые содержат до 2-3% легирующих элементов, таких как Mn, Cr, Ni и Mo. У них повышенная прочность и вязкость сердцевины после завершения обработки.
- Конструкционные стали, такие как 20Х, 30ХГСА, 40Х.
- Инструментальные, например, стали марок У8-У13, которые подвергаются цементации с целью повышения износостойкости режущих инструментов. После обработки их твердость может достигать 62-64 HRC.
- Нержавеющие мартенситного класса (например, 40Х13 и 30Х13) обрабатывают для увеличения твердости поверхности.
К основным требованиям к сталям можно отнести: содержание углерода не более 0,25%, отсутствие вредных примесей, таких как серо (S) и фосфор (P), а также наличие склонности к мартенситному преобразованию.
Виды цементации стали
Как же реализуется цементация стали на практике? Различают несколько ключевых способов:
- Жидкостная — процесс насыщения поверхности углеродом из расплавленных солей, в основном цианистых. Происходит при температуре от 850 до 950 °C, позволяя создать слой высокой твердости.
- Газовая — науглероживание в газовой среде, включающей пропан, метан или природный газ. Эта методика осуществляется при температуре от 900 до 950 °C, отличаясь высокой производительностью процесса.
- Вакуумная — проводимая в вакуумных печах при давлении не более 10 мм рт. ст. Итогом работы становится высококачественное цементованное покрытие.
- В твердой среде — насыщение углеродом из твердых карбюризаторов, таких как древесный уголь или кокс. Данный процесс является более длительным и применяется реже других методов.
- Обработка твердыми карбюризаторами представляет собой традиционный способ цементации. Стальные детали помещаются в контейнеры со специальным порошковым карбюризатором (например, смесь древесного угля с карбидом бария или кальция). После этого контейнеры подвергаются нагреванию в печах до необходимых температур. Процесс затягивается на несколько часов для достижения требуемого уровня науглероживания.
- Обработка электролитным раствором — этот метод используется реже и включает насыщение поверхности углеродом с помощью электролиза в углеводородах. Обычно прибегают к этому способу для изготовления более тонкого слоя цементации или в специфических производственных условиях.
- Работа с пастами подразумевает использование специализированных паст, содержащих углеродные компоненты. Эти пасты наносятся на поверхность изделий перед их помещением в печь, что способствует диффузии углерода в верхний слой металла.
Выбор способа цементации зависит от конкретных требований, производственных условий и существующих затрат. Наиболее распространенными в промышленности остаются жидкостные и газовые методы.
Подведем итоги
Технология цементации активно используется в машиностроении и других отраслях, поскольку позволяет значительно увеличить прочность внешнего слоя детали, не ущемляя внутреннюю вязкость. Благодаря формированию плотного верхнего слоя в металле возникают сжимающие напряжения, которые в конечном итоге формируют остаточные напряжения в поверхностных слоях. Это также приводит к повышению прочности конечного изделия.
У Вас остались вопросы? Мы с радостью на них ответим!
Ваша заявка успешно отправлена.
Мы свяжемся с Вами в ближайшие сроки.
Что-то пошло не так. Попробуйте снова.
- Двутавровая балка: производство, классификация и преимущества 30-07-2024 Двутавровая балка является ключевым элементом в современном строительстве и машиностроении. Она благодаря своей универсальности и прочности применяется в различных проектах, начиная от мостов и заканчивая высокими зданиями.
- Профильная труба: виды, классификация и преимущества 19-07-2024 Лист ПВЛ — это не просто металл, это инструмент для создания уникальности и надежности в ваших проектах. Узнайте, как этот материал способен преобразить ваши идеи и почему он стал столь популярным в различных отраслях.
- Что такое просечно-вытяжной лист (ПВЛ) 11-07-2024 Лист ПВЛ — это не просто металл, это возможный элемент для придания уникальности и надежности вашим проектам. Узнайте, как этот материал может преобразовать ваши идеи и почему он так востребован в разнообразных сферах.
196084, Санкт-Петербург, Лиговский пр., 254 лит. В, оф. 300
Цементация в твердой среде
Основным вариантом технологии цементации является использование карбюризаторов, под которыми подразумеваются углеродосодержащие вещества, такие, как древесный уголь из березы или дуба. Он дробится до мелких фракций и дополняется солями щелочных металлов. В результате полученным раствором цементируют детали и заготовки, помещая их в ящики, которые проходят термообработку в специализированных печах: сначала при температуре 700 градусов, затем — от 800 до 950 градусов. Этот процесс позволяет углероду проникать в кристаллическую решетку металла, что делает поверхность прочной и устойчивой к механическим нагрузкам.
При необходимости обработки значительных объемов цементация деталей и полуфабрикатов может производиться в газовой среде. Хотя эта технология и требует времени, она позволяет обрабатывать большие партии однотипных изделий одновременно. Для её реализации часто используют газы с высоким содержанием углерода. الأكثر استخداما هي المنتجات المائية من المنتجات المشتقة من النفط ، مثل الكيروسين. Это позволяет получать однородное покрытие толщиной до 2 мм при минимальных затратах..
Цементация в жидкой среде
Этот подход не требует сложного оборудования. Процесс цементации происходит в нагретом до 800 градусов растворе солей щелочных металлов с низкой температурой плавления. Защитный слой при этом достигает ширины 0,5 мм и отличается высоким качеством и однородностью.
Гальваническая технология цементации также очень популярна. В ней используется анодный раствор электролита, через который проходят высокочастотные токи (ТВЧ). Толщина защитного покрытия варьируется в зависимости от температуры и напряжения. Этот метод идеально подходит для массовой обработки однотипных изделий, таких как детали для подшипников.
Для обработки уникальных заготовок больше подходит цементация с использованием специализированных паст на основе древесного угля. Пасты наносятся на металлическую поверхность толстым слоем с последующей термической обработкой в индукционных печах.
Вы можете заказать цементацию металла любым способом в Москве и других городах России по выгодной цене. Это можно удобно сделать в Москве, оформив онлайн-заявку на нашем официальном сайте, указав при этом контактные данные для обратной связи.
Обогащение металла в домашних условиях
Для выполнения работ в домашних условиях рекомендуется использование твердой среды. Процесс науглероживания с применением твердой среды не требует значительных финансовых затрат на дорогостоящее оборудование и персонажа с успешным опытом работы в этой сфере. Для проведения цементации нужно создать карбюризатор. Для этого можно:
- Смешать древесный уголь, предварительно измельчив его до достаточно мелких частиц, с равным количеством соли.
- Древесный уголь можно также полить соленой водой и просушить.
Заготовки помещаются в термостойкие контейнеры, места их соединений и щели герметизируются глиной. Эти контейнеры помещаются в печь и нагреваются равномерно до температуры 700 градусов. При снижении температуры обогащение может занять значительно больше времени.
Что же в результате?
После процесса науглероживания плотность верхнего слоя нелегированных сплавов достигает 58 HRC, а для низкоуглеродистых сплавов – до 60 HRC. В результате все изделия получают требуемую твердость, при этом сердечник остается с хорошей вязкостью. При этом нужно учитывать, что в процессе обогащения может произойти изменение структуры сплава, что является главным недостатком цементации. Чтобы нейтрализовать этот эффект, науглероженные заготовки подлежат закалке с последующим отпуском или нормализации, в зависимости от типа стали. В процессе закалки формируется феррит, что приводит к измельчению зерен. Чтобы избежать деформации поверхности, применяется низкотемпературный отпуск сплава.
Мягкие сталевые сплавы, прошедшие науглероживание, обладают твердой оболочкой и мягким сердечником. Это означает, что цементированная низкоуглеродистая сталь имеет высокую твердость, но не является хрупкой. Сердечник сохраняет свою пластичность и прочность, что дает возможность производить детали сложной формы, такие как внутренние компоненты машин.
Укрепленная поверхность демонстрирует отличную устойчивость к износу и усталостным нагрузкам – металлы, подвергнутые науглероживанию, способны выдерживать значительные нагрузки и служат дольше.
Оформите заявку на нашем сайте, мы свяжемся с вами в ближайшие сроки и ответим на все вопросы, которые у вас остались.
