Существуют различные способы карбонизации стали. Некоторые из них подходят для домашнего использования. Все они рассматриваются в этой статье.
Цементация стали: разбираемся в особенностях процесса
Карбонизация стали — это процесс упрочнения этого металла. Он используется в промышленности и в быту, поскольку существуют различные методы доведения металла до нужных характеристик.
Несмотря на название, при цементировании не используется цемент или что-либо подобное, а компонент нагревается в различных средах. В этой статье описаны методы карбонизации, разъяснены все технологические процессы и описаны свойства стали после обработки.
Суть цементации стали
У наших предков была такая примитивная технология: железный клинок или другой инструмент оставляли в герметичной емкости, наполненной углем, в раскаленной печи на несколько дней. Мастера давно заметили, что после такого обжига внешние слои металла становятся намного тверже, в то время как пластичное железо самого корпуса изделия сохраняет свои свойства.
Таким образом можно было насытить железо углеродом, что улучшало его режущую способность и прочность. Эта технология, названная карбонизацией стали, получила дальнейшее развитие в различных направлениях.
Цементация — это термическая обработка металла, при которой материал вводится в контакт с определенным химическим агентом для улучшения его свойств. Для обработки используется жидкость, газовая смесь или твердое вещество, при нагревании которого происходит высвобождение свободных атомов углерода.
Диффузия углерода во внешние слои изменяет свойства стали. Глубина проникновения углерода зависит от типа обработки и может составлять несколько миллиметров.
Основной целью карбонизации стали является повышение устойчивости деталей к вибрации, ударам и истиранию. Насыщение металла углеродом призвано улучшить свойства его внешних слоев:
- Происходит значительное улучшение характеристик поверхностных слоев с сохранением пластичности и упругости металла под ними. После обработки поверхность становится устойчивой к истиранию, а сама деталь прекрасно выдерживает рабочие нагрузки.
- Полученная при цементации стали твердость соотносима с получаемой в ходе классической закалки.
- В процессе цементации стали крайне важны как температура, так и соблюдение необходимых требований по времени воздействия. Оптимальной с точки зрения насыщения стали углеродом является температура в диапазоне от +850 °С до +950 °С.
- Характерной особенностью диффузионного насыщения является его низкая скорость. В среднем, на цементирование 0,1 мм металла уходит около часа. Обычно минимальная глубина насыщения сплава составляет 0,8 мм, соответственно, на получение готовой к дальнейшей обработке детали уходит от восьми часов.
- Обработке такого рода подвергают легированные сплавы и стали с низким содержанием углерода, обладающие достаточной способностью к поглощению атомов углерода.
- Цементацию производят с использованием различных сред. Часто применяют методы термообработки с карбюризаторами в твердом или газообразном состоянии. Для обогащения металла углеродом также используют технологии, основанные на применении доведенного до кипения электролитного раствора и углеродсодержащие пастообразные реагенты.
Газообразные и твердые карбонизаторы используются в большинстве производственных процессов.
Типы стали, пригодные для цементации
Металлы в этом разделе разделены на три группы в соответствии с их свойствами:
- С неупрочняемой сердцевиной марок 20, 15 и 10. Обычно это детали бытовых устройств. Термообработка дает феррито-перлитную смесь, полученную из аустенита.
- Со слабоупрочняемой сердцевиной. Речь о слабо легированных сплавах на основе хрома (марки 20Х и 15Х). Для повышения пластичности и вязкости стали сплав дополнительно легируют ванадием, что дает возможность получить зерно меньших размеров.
- С сильно упрочняемой сердцевиной. Чаще всего используются для производства изделий сложной формы или с большим поперечным сечением, рассчитанных на ударные нагрузки. В ходе термической обработки металл легируют никелем или марганцем. Для уменьшения зернистости используют титановые или ванадиевые добавки в малых количествах.
Цементация широко используется при изготовлении лезвий ножей, различных валов, осей и шестерен.
Сущность и назначение процесса цементации
Науглероживание металлов является одним из видов химико-термической обработки наряду с азотированием, цианированием и алитридированием. Его суть и назначение заключается в насыщении поверхности заготовки атомами углерода путем диффузии. Это улучшает следующие характеристики:
- твердость;
- прочность;
- стойкость к механическим воздействиям.
Температура карбонизации выбирается в зависимости от степени карбонизации заготовки. Температура варьируется от 800 до 950 °C. Этот процесс используется для обработки низкоуглеродистых или легированных сталей. Причина этого заключается в том, что внутренние части должны оставаться вязкими после закалки. Глубина насыщенного слоя может достигать 2,5 мм, в зависимости от интенсивности обработки.
Высокая температура необходима для активации углерода, который играет ключевую роль в карбонизации. Затем он легко проникает и впитывается в межкристаллитное пространство стали.
Технология характеризуется низким уровнем взаимодействия между сталью и углеродом. Для получения слоя толщиной 0,1 мм требуется в среднем один час. Стоит отметить, что этот процесс имеет прямую зависимость: Глубина карбонизации не влияет на время обработки.
Методы цементации металлов и сплавов
За долгую историю его существования были разработаны различные методы. Современные технологии позволяют проводить процесс цементации при следующих условиях:
- твердая среда;
- газовая среда;
- жидкая среда;
- вакуум;
- с применением специальной пасты;
- цементация в электролите.
Вышеперечисленные методы различаются по технике и глубине насыщения. Давайте рассмотрим эти методы более подробно.
Цементация с использованием твердой среды
Для карбонизации стали по этой технологии используются специальные углеродсодержащие вещества, называемые карбонизаторами.
Карбонизаторы способны добавлять углерод в окружающие их материалы. Это требует высоких температур.
Наиболее популярными являются следующие карбюраторы:
- березовый древесный уголь;
- дубовый древесный уголь.
Иногда используется их смесь. Для переработки уголь измельчается на фракции размером не более 10 мм. Затем углерод смешивается с солью карбоната любого металла щелочной группы. Массовая доля углерода в смеси обычно составляет 88-90 %. Перед использованием смесь просеивается для удаления мелких фракций, таких как пыль и крошки.
Существует два способа приготовления рабочей смеси:
- Сухой. В этом случае соль и уголь тщательно перемешивают. В противном случае результат будет некачественным: на поверхности будут видны необработанные участки стали.
- Мокрый. Уголь поливают водным соляным раствором, после чего высушивают. Уровень влажности рабочей смеси не должен превышать 6–7%.
Последний метод считается наиболее эффективным для модификации высококачественной стали.
Процесс насыщения поверхности углеродом происходит следующим образом:
- Рабочую смесь насыпают в ящики, изготовленные из термостойкого материала. Форма и размеры зависят от типа обрабатываемых деталей.
- Объекты для цементации помещают в ящик. Угольная смесь должна быть равномерно распределена по внутренней поверхности.
- Во избежание утечек производят герметизацию емкости, обрабатывая закладную часть шамотной глиной.
- Ящик помещают в печь, которую прогревают до 700 °C.
- На данном этапе осуществляют визуальный контроль процесса: все нагреваемые элементы должны иметь ровный цвет без темных пятен на поверхности.
- Температуру в печи повышают до рабочего уровня: 800–950 °C. Начинается процесс активного освобождения углерода и его проникновения в межкристаллическую решетку стали.
- Время обработки зависит от требуемой глубины цементации стали.
Процесс цементации в газовой среде
Этот метод обработки стали используется на крупных заводах массового производства. При этом глубина проникновения углерода составляет не более 2 мм. Рабочей средой являются газы искусственного или природного происхождения с высоким содержанием углерода. Наиболее распространенные газы являются побочными продуктами разложения нефтепродуктов.
Парафин используется для производства газа из-за нестабильности углерода в его составе. Часть газа модифицируется для увеличения глубины проникновения.
Можно ли цементировать сталь в домашних условиях
При необходимости металл можно приварить к дому. Обычно для этого выбирается стабильный процесс. Время насыщения может занять несколько часов, поэтому основная сложность при домашней обработке заключается в поддержании заданной температуры на протяжении всего цикла.
Качество домашней переработки намного ниже, чем на промышленных предприятиях. Кроме того, экономичность операций может быть гарантирована только при наличии большого количества обрабатываемых деталей, что не всегда возможно.
