цементация стали: определение, виды, процесс и закалка

Что такое цементация?

Цементация — процесс закалки поверхности, при котором углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали при температуре, достаточно высокой для изменения зернистой структуры стали. Это изменение позволяет стали поглощать углерод. Результат — износостойкий слой, делающий цементацию идеальным процессом для производства прочных, безопасных металлов.

Цементация — термическая обработка, при которой железо или сталь насыщаются углеродом при нагреве в присутствии углеродоносного материала (уголь, оксид углерода). Цель — повысить твердость металла.

В зависимости от времени и температуры, заселенная зона может варьироваться по содержанию углерода. Длинное время и высокие температуры увеличивают глубину диффузии углерода.

При быстром охлаждении (закалке) высокое содержание углерода на внешней поверхности становится твердым из-за превращения аустенита в мартенсит, а ядро остается мягким и вязким с ферритно-перлитной микроструктурой.

Ключевые особенности процесса:

• Применяется к деталям из низкоуглеродистой стали
• Детали контактируют с высокоуглеродистым газом, жидкостью или твердым телом
• Образуется твердая поверхность; ядро сохраняет вязкость и пластичность
• Глубина закаленного слоя до 0,25 дюйма (6,4 мм)

Иногда служит средством исправления нежелательной децементации, возникшей ранее в производстве.

Метод цементации

Цементация стали — термическая обработка металлической поверхности с использованием источника углерода. Позволяет повысить поверхностную твердость низкоуглеродистой стали. Ранние методы: прямое наложение угля вокруг образца. Современные — углеродоносные газы или плазма.

Процесс зависит от состава атмосферы и температуры печи, которые должны строго контролироваться, так как тепло также влияет на микроструктуру остального материала. Для точного контроля газового состава цементацию проводят при низком давлении в вакуумной камере.

Плазменная цементация все чаще применяется для улучшения поверхностных характеристик, особенно нержавеющей стали. Процесс экологичен, обеспечивает равномерное покрытие деталей сложной геометрии — высокая гибкость.

Механизм: диффузия атомов углерода в поверхностные слои металла. Атомы металла связаны в кристаллическую решетку; атомы углерода диффундируют в кристаллическую структуру и либо остаются в твердом растворе, либо реагируют с элементами хозяина, образуя карбиды.

Если углерод остается в твердом растворе, сталь закаляют для получения твердости. Оба механизма укрепляют поверхность: первый — образованием перлита или мартенсита, второй — карбидов. Оба материала тверды и абразивностойки.

Газовая цементация обычно проводят при 900–950 °C.

В газосварочном сжигании ацетиленово-кислородной горелки цементирующее пламя (мало кислорода) дает сажистое, низкотемпературное пламя. Часто используют для отжига металла, делая его более ковким и гибким при сварке.

Виды цементации

Раньше, в зависимости от источника углерода, выделяли три вида: твердая (порошковая), жидкая и газовая цементация. Использовали уголь, расплавленную соль, углеродоносные газы (природный газ, пропан).

Три распространенных вида:

• Газовая цементация
• Жидкая цементация
• Твердая цементация (в коробке)

Все три основаны на превращении аустенита в мартенсит при закалке. Повышение углерода на поверхности должно быть достаточным для мартенситного слоя с твердостью обычно 700 HV, обеспечивающим износостойкость.

Требуемое содержание углерода на поверхности после диффузии — 0,8–1,0% C. Процессы применяют к различным углеродистым, легированным сталям и чугунам с массовым содержанием углерода макс. 0,4% (обычно <0,25%). Неправильная термообработка ведет к окислению или децементации.

Хотя процесс медленный, цементацию можно использовать как непрерывный процесс для массового поверхностного закалки.

1. Газовая цементация

Нагрев углеродистой стали до аустенитизационной температуры в углеродобогащенной атмосфере. Часто используют носитель газа — эндотермический («Эндо») газ с углеводородным обогащением (природный газ или пропан).

Деталь держат в печи с атмосферой метана или пропана с нейтральным носителем (смесь N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄). При температуре цементации метан (пропан) разлагается на поверхности на атомарный углерод и водород, углерод диффундирует внутрь.

Температура обычно 925 °C, время: 2 часа для глубины 1 мм до 36 часов для 4 мм. Закалочная среда — обычно масло, но может быть вода, солевой раствор, едкий натр или полимер.

2. Вакуумная цементация

Процесс в низкодавленной безкислородной среде. Используют газовые углеводороды (метан). Отсутствие кислорода позволяет повышать температуру без окисления. Чем выше температура, тем выше растворимость и диффузия углерода, что сокращает время для заданной глубины закаленного слоя.

3. Жидкая цементация

Процесс закалки поверхности стальных или чугунных деталей. Детали держат при температуре выше Ac₁ в расплавленной соли, вводящей углерод и азот или только углерод. Большинство солевых ванн содержат цианид, вводящий и углерод, и азот.

Детали помещают в солевую ванну при 845–955 °C. Соль — обычно смесь цианид-хлорид-карбонат, высокотоксична. Цианидные соли вводят мало азота, еще больше повышая твердость. Самый быстрый процесс цементации, но подходит только для мелкосерийного производства.

4. Твердая цементация (в коробке / упаковочная)

Процесс, при котором оксид углерода, полученный из твердого соединения, разлагается на поверхности металла на наскоковый углерод и CO₂. Коробки для цементации из углеродистой стали, алюминированной стали или жаропрочных сплавов Fe-Ni-Cr.

Детали окружают цементационным средой и помещают в герметичную коробку. Среда — обычно кокс или уголь с бариевым карбонатом. Фактически это газовая цементация: образующийся CO диссоциирует на CO₂ и углерод, диффундирующий в поверхность.

Температуры 790–845 °C, время 2–36 часов. Упаковочная цементация — наименее технологичный процесс, поэтому остается широко используемым методом.

Цебоцементация

Проводится на сталях аналогичных сечений, хотя массовое содержание углерода может быть 0,4–0,5%. Особенно подходит для закалки поверхности деталей, требующих закаленного ядра, например, шестерен и валов.

Цебоцементация — модификация газовой цементации с добавкой аммиака к метану или пропану как источника азота.

Часто задаваемые вопросы

Что такое цементация?

Процесс закалки поверхности, при котором углерод диффундирует в поверхностный слой стальной детали при температуре, меняющей зернистую структуру стали, что позволяет поглотить углерод.

В чем заключается процесс цементации?

Термокимический процесс диффузии углерода в поверхность низкоуглеродистых сталей для повышения содержания углерода до уровня, при котором поверхность отвечает на термообработку и образует твердый, износостойкий слой. Три основных вида: газовая, жидкая, твердая.

Каковы три вида цементации?

Исторически: твердая (порошковая), жидкая, газовая. Уголь, расплавленная соль, углеродоносные газы (природный газ, пропан).

Каковы типы цементации?

• Упаковочная цементация
• Газовая цементация
• Вакуумная цементация
• Жидкая цементация

Какова цель цементации?

Сделать металл тверже и более обрабатываемым. Твердость низкоуглеродистой стали повышается за счет насыщения углеродом при термообработке. При правильном выполнении улучшает поверхностную твердость.

Зачем цементация стали?

Повышает прочность и износостойкость диффузией углерода в поверхность, создавая закаленный слой (корпус) при сохранении мягкого ядра. Применяют к деталям из низкоуглеродистой стали после механической обработки, а также к легированным подшипникам, шестерням и др.

Что такое цементация и нитрирование?

Два основных метода термической обработки для поверхностного закалки. Главное отличие: при нитрировании в поверхность диффундируют азота, при цементации — углерод.

В чем разница между закалкой поверхности и цементацией?

Закалка поверхности — процесс закалки только поверхности детали. Также называется цементацией. При цементации низкоуглеродистая деталь помещают в печь с контролируемой углеродоносной атмосферой.

Какая температура цементации?

Печи газовые или электрические. Температура 870–940 °C. Газовая атмосфера из жидких или газовых углеводородов: пропан, бутан, метан.

Что такое жидкая цементация?

Процесс для мелких и средних деталей. В солевой ванне углерод для диффузии поступает из расплавленной соли — смеси цианида натрия (NaCN) и хлорида бария (BaCl₂).

Какую сталь можно цементировать?

Микроструктура ядра не меняется при этой низкотемпературной обработке. Цементация в основном для низкоуглеродистых и слаболегированных сталей; нитрирование — для низкоуглеродистых, легированных, инструментальных и нержавеющих сталей. Нитрированные стали могут иметь более высокую износостойкость и твердость.

Каковы два этапа цементации?

Хотя атмосферная цементация состоит из нескольких шагов, можно выделить два главных: генерация углерода в печи и диффузия углерода в деталь. Первая обеспечивает атомы углерода, вторая определяет градиент концентрации.

Зачем добавляют BaCO₃ в твердую цементацию?

«Цементация часто делают для закалки поверхности шестерни и кулачка». Для ускорения проникновения углерода в образец при цементации необходимо добавлять BaCO₃, NaCO₃ и др.

Какой газ используется для газовой цементации?

Газовая цементация, включая цебоцементацию или газовое нитрирование с аммиаком (NH₃), дающим наскоковый азот, входящий в корпус стали и повышающего твердость.

Какие металлы можно нитрировать?

Алюминий, хром, молибден, титан, вольфрам, ванадий легко соединяются с азотом при высоких температурах, образуя нитриды. Низкоуглеродистые сплавы стали с этими металлами — хорошие кандидаты для нитрирования.

В чем разница между цементацией и цебоцементацией?

Ключевое отличие: цементация — закалка поверхности углеродом; цебоцементация — закалка углеродом и азотом.

Требуется ли термообработка после цементации?

Деталь либо закаляют из температуры цементации, либо перегревают до соответствующей аустенитизационной температуры и закаляют. Прямая закалка быстрее и дешевле, но невозможна при упаковочной цементации. Поэтому упаковочно-цементированные детали всегда перегревают и закаляют.

Меняет ли цементация размеры?

Практически невозможно цементацию без изменений размеров. Величина изменений зависит от материала, типа цементации, исходных размеров и формы.

Что такое упаковочная цементация?

Ранний метод закалки поверхности: детали укладывали в коробку с углеродоносными материалами (уголь, копыта, шкуры, животное жир, рога) и нагревали до цементационной температуры.

Какой тип диффузии — цементация?

При цементации диффузия углерода определяет градиент концентрации и профиль твердости в закаленном слое. Сложный процесс, но сводится к двум шагам: генерация углерода в печи и диффузия в деталь.

Уменьшает ли термообработка размеры металла?

Эксперименты показывают эффекты термообработки на изменение размеров. Эффекты разные для каждого марка. Например, куб 3,15 дюйма из инструментальной стали D-2 при закалке вырос на 0,08% в одном измерении, а в двух других — усажился.

Почему происходит закалка поверхности?

Метод обработки материала для повышения твердости внешней поверхности. Поскольку закалка снижает штамповочность и обрабатываемость, закалку поверхности делают после завершения остальных технологических операций.