Существуют различные методы карбонизации стали, некоторые из которых могут быть успешно применены в домашних условиях. Рассмотрим все эти аспекты более подробно в данной статье.
Цементация стали: разбираемся в особенностях процесса
Карбонизация стали представляет собой процесс, направленный на упрочнение этого металла. Это технология широко применяется в различных отраслях промышленности, а также в быту, благодаря многообразию методов, которые позволяют добиться необходимых характеристик стали.
Несмотря на то, что процесс называется цементацией, в нем не используется цемент или аналогичные вещества. Вместо этого, в процессе карбонизации элемент нагревается в различных средах, что способствует насыщению его углеродом. В данной статье мы подробно рассмотрим методы карбонизации, объясним все технологические процессы и выявим, как изменяются свойства стали после этой обработки.
Суть цементации стали
Наши предшественники использовали достаточно простую, но эффективную технологию: железные клинки или другие инструменты помещали в герметичную емкость, заполненную углем, и оставляли в раскаленной печи на несколько дней. Мастера заметили, что после такого обжига внешние слои металла становятся значительно тверже, при этом пластичность основного тела инструмента остается достаточно высокой.
Таким образом, этот процесс позволяет насытить железо углеродом, что в свою очередь улучшает его режущие свойства и общий уровень прочности. Данная технология, известная как карбонизация стали, с течением времени получила развитие и множество направлений.
Цементация представляет собой термическую обработку, в ходе которой материал вступает в контакт с определенным химическим агентом для улучшения его свойств. Для обработки могут использоваться жидкости, газовые смеси или твердые вещества, в процессе нагрева которых происходит высвобождение свободных атомов углерода. Это явление и называется диффузией углерода.
Процесс диффузии углерода во внешние слои металла изменяет его физические качества. Глубина проникновения углерода зависит от типа используемой обработки и может достигать нескольких миллиметров.
Основной задачей карбонизации стали является увеличение устойчивости деталей к механическим воздействиям, таким как вибрация, удары и истирание. Насыщение углеродом требуется для улучшения качеств поверхностных слоев стали:
- Происходит заметное улучшение характеристик поверхностных слоев без ущерба для пластичности и упругости металла, находящегося под ними. После подобной обработки поверхность становится стойкой к истиранию, а сама деталь прекрасно справляется с рабочими нагрузками.
- Твердость, достигнутая в результате цементации стали, сопоставима с той, что получается при традиционной закалке.
- При цементации стали критически важны не только температура, но и соблюдение необходимых временных рамок воздействия. Оптимальными значениями для насыщения стали углеродом считаются температуры в диапазоне от +850 °C до +950 °C.
- Характерной чертой процесса диффузионного насыщения является его невысокая скорость. В среднем, чтобы провести цементацию 0,1 мм металла, требуется около одного часа. Обычно минимальная глубина насыщения сплава составляет 0,8 мм, следовательно, на полную обработку детали может потребоваться от восьми часов до нескольких дней в зависимости от желаемых характеристик.
- Эта обработка, как правило, применяется к легированным сплавам и сталям, имеющим низкое содержание углерода, способным к хорошему поглотению атомов углерода.
- Цементацию проводят в различных средах. Наиболее популярны методы термообработки с использованием карбюризаторов, которые могут находиться в твердом или газообразном состоянии. Для насыщения углеродом также часто применяются технологии, основанные на использовании доведенного до кипения электролитного раствора и углеродсодержащих пастообразных реагентов.
В производственных процессах чаще всего используются газообразные и твердые карбонизаторы.
Типы стали, пригодные для цементации
В этом разделе металлы классифицируются на три группы в зависимости от их свойств:
- С неупрочняемой сердцевиной: Это стали марок 20, 15 и 10, которые обычно используются в деталях бытовых устройств. Процесс термообработки приводит к образованию феррито-перлитной смеси на основе аустенита.
- Со слабоупрочняемой сердцевиной: Речь идет о малоподверженных легированным сплавам, основанным на хромовых соединениях (например, марки 20Х и 15Х). Для улучшения характеристик, таких как пластичность и вязкость, данные стали могут дополнительно легироваться ванадием, что позволяет добиться более мелкой структуры зерна.
- С сильно упрочняемой сердцевиной: Эти виды стали чаще всего используются для изготовления сложных в форме изделий или деталей с большим поперечным сечением, предназначенных для высокой ударной нагрузки. В процессе термической обработки возможно легирование металла никелем или марганцем, а также добавление титана или ванадия в малых количествах для уменьшения зернистости.
Цементация активно применяется в производстве ножей, валов, осей и шестерен.
Сущность и назначение процесса цементации
Науглероживание металлов, к которому относится цементация, представляет собой один из видов химико-термической обработки, наряду с такими процессами, как азотирование, цианирование и алитридирование. Основная цель данного процесса заключается в насыщении поверхностного слоя заготовки атомами углерода через процесс диффузии, что приводит к улучшению ряда характеристик:
- твердость;
- прочность;
- стойкость к механическим воздействиям.
Температура карбонизации определяется в зависимости от степени насыщения заготовки углеродом. Она варьирует от 800 до 950 °C. Этот процесс эффективен для обработки низкоуглеродистых или легированных сталей, поскольку это позволяет сохранить вязкость внутренних слоев после закалки. Глубина насыщенного слоя может достигать 2,5 мм в зависимости от интенсивности обработки.
Поддержание высокой температуры является необходимым условием, так как именно она активирует углерод, который играет ключевую роль в процессе карбонизации. Углерод легко проникает и впитывается в межкристаллитные пространства стали.
Технология отличается низким уровнем взаимодействия между сталью и углеродом. Для того чтобы получить слой толщиной 0,1 мм, в среднем требуется около одного часа. Не следует забывать, что между глубиной карбонизации и временем обработки существует прямая зависимость, которая требует учета при планировании технологических процессов.
Методы цементации металлов и сплавов
За долгие годы разработки технологии цементации было выделено несколько различных методов. Современные подходы к процессу цементации условно можно разделить на следующие виды:
- твердая среда;
- газовая среда;
- жидкая среда;
- вакуумное насыщение;
- с применением специальной пасты;
- цементация в электролите.
Каждый из вышеперечисленных методов имеет свои отличия в технике выполнения и глубине насыщения. Давайте рассмотрим их более подробно.
Цементация с использованием твердой среды
Метод карбонизации стали с применением твердой среды предполагает использование специальных углеродсодержащих веществ, именуемых карбонизаторами.
Карбонизаторы способны добавлять углерод в окружающие их материалы только при высоких температурах.
Наиболее известные карбюраторы включают:
- древесный уголь из березы;
- древесный уголь из дуба.
Иногда применяется их смесь. Для подготовки угля его сначала измельчают на мелкие фракции не превышающие 10 мм. Затем углерод комбинируется с солью карбоната из любого металла щелочной группы. В этой смеси массовое содержание углерода обычно составляет 88-90%. Перед использованием смесь проходить процесс просеивания для удаления мелких фракций, таких как пыль и крошки.
Существует два метода приготовления рабочей смеси:
- Сухой способ: в данном случае соль и уголь тщательно перемешиваются, чтобы избежать неравномерного покрытия стальной поверхности, что может привести к образованию необработанных участков;
- Мокрый способ: уголь обрабатывают водным раствором соли, после чего сушат. Уровень влажности рабочей смеси не должен превышать 6-7%.
Последний метод считается более эффективным для модификации высококачественной стали.
Процесс насыщения углеродом проходит в несколько этапов:
- Рабочая смесь насыпается в ящики, изготовленные из термостойкого материала. Форма и размеры ящиков зависят от обрабатываемых деталей;
- Заготовки, подлежащие цементации, помещаются в ящик, при этом угольная смесь должна равномерно распределяться по внутренней поверхности;
- Для предотвращения утечек ящики герметизируются, используя шамотную глину для обработки закладной части;
- Ящик помещается в печь, которая разогревается до 700 °C;
- На данном этапе осуществляется визуальный контроль процесса — все нагреваемые элементы должны иметь равномерный цвет без темных пятен;
- Температура в печи повышается до рабочего уровня: 800-950 °C, что запускает активное высвобождение углерода и его проникновение в межкристаллическую решетку стали;
- Время обработки зависит от желаемой глубины цементации стали.
Процесс цементации в газовой среде
Этот метод целиком применяется на больших заводах, занимающихся массовым производством. При этом глубина проникновения углерода обычно не превышает 2 мм. Рабочая среда представляется газами, как искусственного, так и природного происхождения, которые обладают высоким содержанием углерода. Наиболее часто это газы, образующиеся в результате переработки нефтепродуктов.
Парафин используется для создания газа из-за нестабильности углерода в его составе; дальнейшая модификация части газа позволяет улучшить глубину проникновения углерода.
Можно ли цементировать сталь в домашних условиях
При необходимости возможно провести цементацию стали в домашних условиях. Для этого обычно выбираются стабильные методы, однако стоит учесть, что время насыщения может занять несколько часов, и основная сложность в домашней обработке заключается в поддержании необходимой температуры на протяжении всего цикла обработки.
Следует отметить, что качество цементации в домашних условиях обычно значительно уступает промышленным стандартам. Также эффективность таких операций может быть достигнута только при наличии большого объема запчастей для обработки, что не всегда возможно.
