Что такое цементация стали и как ее сделать в домашних условиях?

Накоплено множество методов обработки металлических конструкций. Одним из них является цементация стали; что это, как сделать в домашних условиях, можно понять, изучив основные технологические приемы процесса.

Общие сведения

В старину топоры из сырого железа помещали в герметичный глиняный горшок, наполненный углем, и ставили в печь на несколько суток. Внешние слои насыщались углеродом под действием жара. Инструмент получал твердую поверхность, сохраняя мягкую, пластичную сердцевину. Сущность технологии сохранилась, прием получил развитие, стал распространенным и разделился на несколько ветвей.

Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Назначение такой термообработки в том, чтобы изменить (усилить) некоторые характеристики поверхностного слоя металлического изделия:

1. Слой укрепляется, улучшаются такие его свойства, как твердость и износостойкость; при этом более глубокие слои сохраняют свои первоначальные свойства (вязкость и упругость). Поверхность хорошо сопротивляется истиранию, сердцевина способна выдерживать динамические нагрузки.
2. После обработки предмет приобретает твердость, аналогичную с полученной по методу классической закалки (огнем и механическим воздействием).

Выделяют следующие особенности метода:

• При организации процесса цементации важно выдерживать временные и температурные интервалы. Оптимальная плотность атомарного углерода появляется при поддержании температуры от 850 до 950°C.
• Диффузное насыщение идет с малой скоростью; в этом заключается его особенность. Поглощение поверхностью атомов газа течет со скоростью 0,1 мм/час (значение может немного меняться в зависимости от среды и температуры). Учитывая, что ожидаемая толщина слоя начинается от 0,8 мм, нетрудно подсчитать, что полезные свойства деталь приобретет минимум через 8 часов.
• Метод признан эффективным для легированных (инструментальных) и низкоуглеродистых сталей, где доля углерода в составе ограничена 0,2-0,25%, и они способны поглотить дополнительное количество атомов газа. Допускаются машиностроительные, строительные и арматурные стали марок 20х, 40х. Углеродистые стали таким способом не обрабатываются.
• Технология цементации допускает использование нескольких сред. Разработаны приемы закалки в присутствии твердого и газового карбюризатора (углеродистого вещества, способного делиться углеродом). Поверхностное науглероживание возможно в кипящем слое, в растворах электролитов и в пастах.

Самыми распространенными в циклах производства являются газовые и твёрдые карбюризаторы.

Газовая цементация

В машиностроении распространена технология насыщения верхнего слоя стальных изделий углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Известно, что такое производство удобно для массовой обработки деталей, так как:

1. Допускается регулирование плотности газов; тем самым формируется углеродистый слой с заданными свойствами.
2. Полный цикл термообработки (цементация, закалка, промывка и отпуск) проходит в одном месте — в шахтной (цементационной) печи.
3. Процесс экономичен, механизирован и автоматизирован.
4. Коробы с карбюризатором не нуждаются в прогреве, что сокращает время протекания цементации.
5. Скорость науглероживания деталей возрастает в 2 — 3 раза (сравнивая с другими методами), однородность слоя выше.
6. Температуру газовой смеси углеводородов (метан и окись углерода), доводят до 900-950°С.
7. После цементации технологическую цепочку завершает отпуск (закаливание).

В твердом карбюризаторе (твердая)

В качестве среды-донора углерода используют древесный уголь; как вариант — торфяной кокс, каменноугольный полукокс. Смесь дополняют активизаторами (углекислый натрий, барий или кальций).

Для качественного насыщения уголь измельчают до частиц размером 3-10 мм, а затем просеивают, чтобы избавиться от пыли. Активизаторы также измельчают и просеивают, стремясь придать солям вид мелкого порошка.

Процесс цементации стали проходит в несколько этапов:

• Предметы, очищенные от эмульсии и масла, загружают в ящик из стали, с карбюризатором, который должен полностью их покрывать. Нельзя допустить их касания стенок ящика и друг друга.
• Емкость помещается в печь. Ее герметичность обеспечивается притертой крышкой, глиной или песчаным затвором.
• Начав с предварительного прогрева, температуру повышают до технологических 900-950°C.
• Возможен ускоренный вариант (при 980°C), сокращающий время насыщения в 2 раза, но вызывающий образование карбидной сетки (возникающей из-за слишком высокого углеродного насыщения). Для ее устранения и исправления структуры проводят дополнительную многоэтапную обработку (нормализацию).

Это условие вполне достижимо в домашней мастерской. Несмотря на очевидные преимущества, у метода есть и недостатки: трудоемкость и низкая производительность.

Перед обжигом готовится твердая смесь (карбюризатор). Она состоит из смеси древесного угля с углекислыми солями бария, натрия или кальция. Соли предварительно измельчают до порошкообразного состояния, а затем просеивают, чтобы добиться однородности. Доля древесного угля в смеси — 70-90%, остальное приходится на соли.

Смесь создается одним из двух способов:

1. Соль и древесный уголь тщательно перемешиваются. Если смесь будет недостаточно однородной, во время цементации разные участки поверхности детали будут поглощать разное количество газа. В результате на изделии образуются пятна, сигнализирующие о недостаточной концентрации углерода; качество поверхности будет неравномерным.
2. Уголь пропитывают солью, растворенной в воде. Затем его подсушивают до получения смеси, влажность которой не превышает 7%. Такой состав получается однороднее и лучше подходит для использования дома.

Этапы цементации в твердой среде:

• Изделие очищается от загрязнений и укладывается в металлический короб, засыпается твердым карбюризатором (порошковой смесью). Необходимо следить, чтобы между стенками и ним сохранялся промежуток в 2-2,5 см. Размер ящика должен соответствовать форме предмета; это сократит время прогрева и улучшит качество цементированного слоя.
• Короб накрывается подогнанной крышкой, ее края промазываются глиной для герметичности (от утечки газов).
• Емкость помещают в предварительно прогретую печь. Цементация запускается при температуре 850-920°C.
• Атомы углерода поглощаются раскаленным верхним слоем.

Твердая цементация стали допускает неоднократное использование карбюризатора. Для повторного отжига к отработанному карбюризатору достаточно добавить до 30% свежей смеси.

Для большинства ответственных машинных деталей (валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, лемехи, шпиндели) достаточной считается глубина цементированного слоя от 0,6 до 2 мм. Время выдержки для приобретения достаточной твердости может варьироваться от 6 до 20 часов.

Изделия после цементации в твердом карбюризаторе получаются прочными, но хрупкими. Чтобы избавится от нежелательного свойства, детали подвергают термообработке (закалке) с нагревом до 840-850°С, с последующим отпуском (нагревом до 780-800°С), снимающим внутренние напряжения.

Графитом

Цементацию стали в домашних условиях можно проводить несколько иным способом, без нагревания в печи.

Для домашних условий применим способ цементации металла с использованием графитового порошка, как вещества с хорошей электропроводимостью. При закалке в графите нагрев идет только по режущей кромке.

Для организации рабочего места потребуется:

1. Графитовый порошок, измельчённый в пыль (даёт мельче искры).
2. Источник питания (понижающий трансформатор); для комфортной работы графитовым электродом достаточно 6-12 В.
3. Провода достаточного сечения.
4. Металлическая подложка (поддон, уголок или кусок профиля).
5. Предмет, на котором предварительно желательно убрать зазубрины (мелкой шкуркой).

Этапы:

• На металлический поддон насыпается графитовый порошок (его можно получить, сточив графитовую щетку от электродвигателя или из батарейки)
• К подложке подсоединяется плюсовой контакт, к предмету, требующему закалки — отрицательный провод.
• На трансформатор подается напряжение.
• Предмет (лезвие) необходимо перемещать над слоем графита плавными движениями; при этом цепь замыкается и между лезвием и порошком проскакивают небольшие искры.
• Лезвие в процессе нагревается; оно не должно касаться подложки. При контакте с поддоном короткое замыкание (дуга) может прожечь кромку.

Ограничения метода:

1. Трудно достичь равномерного прогрева в порошке, и, следовательно, приемлемого качества для изделия заметных размеров. Науглераживание детали углеродом графита подходит для цементирования режущей кромки садового инструмента (лопат) и ножей. Для ответственных деталей метод не рекомендуется.
2. Теоретически качественная цементация идет со скоростью около 0,1 мм/час. Скорость можно увеличить, увеличив температуру, но это также становится причиной итоговой хрупкости.

Таким способом можно цементировать лопату, косу, сверло, отвертку, ножи газонокосилки.

Цементация проводится и в менее распространенных карбюризаторах.

В пасте

Способом можно пользоваться дома. Пасту необходимо нанести на предмет и дать ей подсохнуть. После предмет помещается в печь и выдерживается при 900-950°С расчетное время. Таким методом можно добиться толщины науглероженного слоя в 0,7-0,8 мм.

Паста состоит из:

• сажи, 55 %;
• кальцинированной соды (желтая соль), 30 %;
• щавелевокислого натрия, 15%.

Составляющие размешиваются в воде до пастообразного состояния.

В растворе электролита

Метод базируется на анодном эффекте и подходит для небольших предметов.

1. Предмет погружается в печь-ванну с раствором, предварительно разогретым до рабочей температуры (от 450 до 1050°С, в среднем — 850-860°С). Необходимое напряжение составляет 150-300 В.
2. За 1,5-2 часа поверхность металла насыщается углеродом на глубину 0,3-0,4 мм.

Стандартный раствор содержит:

• соду 75-85 %;
• хлористый натрий 10-15 % ;
• карбид кремния 6-10 %.

Видео: цементация (закалка).

Цементация в кипящем слое

Промышленный метод, протекающий в специальной установке (печи кипящего слоя). Основа метода — получение псевдожидкого состояния сыпучего вещества (корунда) в смеси раскаленных газов (в экзогазе). Температура распределяется равномерно по всему объему печи, что уменьшает деформацию предметов и их коробление.

Обработку изделия не заканчивают цементацией; рекомендуется провести термообработку (отпуск) или отшлифовать его. Чтобы достичь необходимого уровня прочности при цементации и закрепить его твердость, необходимо правильно соблюдать условия технологического процесса.