Науглероживание стали в домашних условиях

Цемента́ция ста́ли — поверхностное диффузионное насыщение стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0,25 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

• в твёрдом карбюризаторе
• в газовом карбюризаторе
• в кипящем слое
• в растворах электролитов
• в пастах

Содержание

Цементация в твёрдом карбюризаторе [ править | править код ]

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5—10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы. Этот процесс известен по крайней мере с XII века [1] .

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 900—950 °С, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

При «ускоренном» режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза, и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придётся убирать многократной нормализацией металла.

Цементация в газовом карбюризаторе [ править | править код ]

Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Цементация в кипящем слое [ править | править код ]

Процесс цементации в кипящем слое проходит в атмосфере эндогаза с добавкой метана. Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, в которой за счёт проходящего потока газа через слои мелких (0,05-0,20 мм) частиц (чаще корунда) создаётся их интенсивное перемешивание, что внешне напоминает кипящую жидкость. Частицы корунда располагаются на газораспределительной решётке печи. При определённой скорости прохождения восходящего потока газа (выше критической скорости) частицы становятся подвижными, и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой). В этом состоянии сцепление между частицами нарушено, они становятся подвижными и опираются не на решётку, а на поток газа. Достоинствами процесса цементации в кипящем слое являются: сокращение длительности процесса вследствие большой скорости нагрева и высокого коэффициента массоотдачи углерода; возможность регулирования углеродного потенциала атмосферы в рабочей зоне печи; уменьшение деформации и коробления обрабатываемых деталей за счёт равномерного распределения температуры по всему объёму печи. Процесс цементации в кипящем слое может быть использован на заводах мелкосерийного и единичного производства.

Цементация в растворах электролитов [ править | править код ]

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности углеродом в многокомпонентных растворах электролитов — один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450—1050°С. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения цементации в электролит, кроме электропроводящего компонента, вводят углеродсодержащие вещества-доноры (глицерин, ацетон, этиленгликоль, сахароза и другие).

Цементация в пастах [ править | править код ]

Цементация с нанесением на науглероживаемую металлическую поверхность С-содержащих материалов в виде суспензии, обмазки или шликера, сушкой и последующим нагревом изделия ТВЧ или током промышленной частоты. Толщина слоя пасты должна быть в 6—8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя. Температуру цементации устанавливают 910—1050 °С.

Химико-термическая обработка – это комплекс операций по изменению химического состава и микроструктуры поверхности заготовки или изделия с целью получения требуемых характеристик. Такое изменение является результатом взаимодействия поверхности с окружающей средой определенного состояния, состава, температуры. Наиболее распространенные виды химической обработки – цементация (науглероживание), азотирование, карбонитрация (одновременное насыщение углеродом и азотом).

Технология цементации стали

Этот процесс подразумевает диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных заготовок углеродом. Обработка осуществляется в карбюризаторе, выделяющем активный углерод, при температурах устойчивости аустенита – 850-950°C, хорошо растворяющего большое количество углерода. Для завершения процесса после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Результаты химико-термической и термической обработок в комплексе:

• высокая твердость и износостойкость поверхности;
• повышение предела контактной устойчивости;
• улучшение показателей предела выносливости при изгибе и кручении.

Внимание! Желаемый эффект достигается на сталях с низким содержанием углерода – до 0,2%. Без цементации такие марки закалить невозможно. Чаще всего цементации подвергают легированные стали.

Эта операция является длительной, поскольку процесс науглероживания протекает очень медленно. Основные типы сред для цементации (карбюризаторов):

• твердые;
• газообразные;
• растворы электролитов;
• пасты;
• кипящий слой.

Цементация в твердой среде: возможность проведения в домашних условиях

Науглероживание стали в твердой среде можно провести в домашних условиях, если есть способ обеспечить длительную выдержку при таких высоких температурах.

Для обработки в твердом карбюризаторе понадобятся:

• углекислый натрий, кальций или барий;
• березовый или дубовый уголь, содержание которого в смеси составляет 70-90%.

Все компоненты измельчают и просеивают для удаления пыли. Оптимальные фракции – 3-10 мм. Методики смешивания компонентов:

Соль и уголь смешивают в твердом состоянии.

Внимание! Если перемешивание было недостаточно тщательным, то после завершения процесса на детали образуются пятна.

Цементацию на производстве и в домашней мастерской осуществляют в стальных ящиках, заполненных карбюризатором. Для уменьшения времени прогрева и повышения качества поверхностного слоя ящик для ХТО по форме и размерам должен быть максимально приближенным к обрабатываемой детали. Создать оптимальные условия можно только в герметичной таре, поскольку при этом исключается утечка газов, образующихся во время выдержки. Для обеспечения герметичности зазоры между ящиком и крышкой обмазывают огнеупорной глиной. Оптимальный материал ящиков для науглероживания – жаростойкая легированная сталь. Однако может использоваться и тара из малоуглеродистых сталей.

Этапы цементации в твердом карбюризаторе

• Заготовки укладывают в ящик слоями с пересыпкой карбюризатором.
• Ящики обмазывают огнеупорной глиной и устанавливают в разогретую печь.
• Тару с содержимым прогревают примерно до 800°C. О качественном прогреве свидетельствует отсутствие темных пятен на подине в местах ее соприкосновения с ящиком.
• После прогрева температуру в печи поднимают до 950°C и выдерживают в таких условиях заготовку на протяжении определенного времени. При этом происходит проникновение активных атомов углерода в кристаллическую решетку стали.

Азотирование: суть процесса и преимущества, по сравнению с цементацией

Азотирование – сравнительно новая технология улучшения характеристик стальных заготовок. Заключается в нагреве деталей до высоких температур в средах, насыщенных аммиаком. Толщина нитридного слоя составляет 0,3-0,6 мм.

• повышается износостойкость, так как поверхность становится тверже;
• возрастает усталостная прочность изделий;
• образуется стойкий антикоррозионный барьер.

Преимущества такой ХТО, по сравнению с цементацией

• Поверхностный слой изделия приобретает высокую твердость без дополнительной термической обработки. Прочность поверхностного слоя примерно в 2 раза выше, чем после науглероживания.
• Геометрические параметры заготовки после азотирования остаются практически без изменений.
• Может применяться для изделий после закалки с высоким отпуском и шлифованием в размер.
• После науглероживания поверхностный слой сохраняет полученную твердость до температур до 225°C, после диффузионного насыщения азотом – до 600°C.

Краткая схема азотирования при температурах 500-600°C в стальных ретортах, устанавливаемых в печь:

• части стальных элементов, не предназначенные для насыщения азотом, защищают оловом или жидким стеклом, наносимым по технологии электролиза;
• закладывают в муфель, в который из баллона закачивают аммиак;
• внутри реторты аммиак разлагается на азот и водород;
• атомарный азот проникает в поверхность стальной детали с образованием нитридов, для которых характерна очень высокая твердость;
• после выдержки заготовку в реторте охлаждают вместе с печью, чтобы закрепилась твердость поверхности без окисления.

Таблица результатов азотирования для стали различных марок, в зависимости от целевого назначения ХТО

Карбонитрация стали

Популярным видом ХТО стали и чугуна практически любых марок является карбонитрация, или жидкостное азотирование. В этом случае поверхностный слой заготовок насыщается углеродом и азотом в соляных расплавах при температуре 560-580°C. Соляные составы синтезированы из аммоноуглеродных соединений: меламина, мелона, дициандиамида. Карбонитрация сходна с цианированием. Но цианирование осуществляется с использованием токсичного цианида натрия при температурах до 860°C. Для карбонитрации применяют неядовитые соединения, осуществляется она при температурах до 570°.

Преимущества технологии карбонитрации стали

• Одновременное насыщение азотом и углеродом инициирует появление карбонитридных фаз – более пластичных и менее хрупких, по сравнению с чисто нитридными.
• Карбонитрация – наиболее экономичный процесс, благодаря его небольшой длительности – 0,5-4 часа.
• Равномерность нагрева и диффузии.
• Отсутствие термических напряжений, обеспечивающее минимальные деформации и точность геометрических параметров в пределах микронов.
• Улучшение усталостной прочности изделий до 80%, износостойкости, коррозионной стойкости.
• Уменьшение коэффициента трения до 5 раз.
• Отсутствие хрупкости поверхностного слоя, насыщенного карбонитридами.
• Возможность обработки недорогих низкоуглеродистых сталей, которые не упрочняются традиционным азотированием. В результате карбонитрации они приобретают характеристики, которыми обладают более дорогие и хуже обрабатываемые стали.
• Этот процесс для рядовых деталей является финишным, не требующим дополнительной механической обработки. Ответственные изделия после карбонитрации подвергают хонингованию – полировке на 1-2 мкм.

Комбинированное насыщение поверхности азотом и углеродом может применяться даже для высоколегированных и устойчивых к коррозии сталей. На их поверхности присутствует плотная пленка из оксидов хрома и других легирующих добавок, препятствующая процессу чистого азотирования.

Этапы карбонитрации

Дополнительным плюсом этой технологии является возможность частичного погружения детали в солевой расплав, что позволяет упрочнить только отдельные участки.

• На карбонитрацию поступают детали с окончательными размерами. При необходимости оставляют минимальный припуск на посадочных поверхностях для полировки.
• Предварительные мероприятия: очистка, обезжиривание.
• Нагрев в печи и карбонитрация.
• Охлаждение в воде, масле, на воздухе.
• Промывка, сушка.

Таким способом обрабатывают:

• режущий инструмент;
• пресс-формы;
• пары трения;
• элементы зубчатых передач;
• детали насосов.

Важный плюс этой технологии – соответствие экологическим нормам и безопасность работников, благодаря отсутствию ядовитых соединений в насыщающих средах. Карбонитрация применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и в небольших мастерских и в домашних условиях.

Совершенствование комплексного азото-углеродного насыщения – низкотемпературная карбонитрация

НОК-процесс – низкотемпературное оксикарбонитрирование – впервые был разработан российскими учеными, а затем дорабатывался немецкими исследователями и получил название QPQ. Преимущества:

• первоначальная цель – улучшение товарного вида;
• резкое снижение коэффициента трения;
• коррозионная стойкость марок перлитного и аустенитного классов, обработанных способом НОК, превышает аналогичный показатель этих материалов, хромированных гальваническим методом;
• себестоимость на 40% ниже, по сравнению с гальваническими покрытиями.

• карбонитрация;
• охлаждение и выдержка в расплаве ванны оксидирования при 350-400°C;
• охлаждение на воздухе;
• промывка;
• полирование;
• повтор оксидирования;
• промывка.

Данная технология рассматривается в качестве эффективной и экономичной альтернативы гальваническому хромированию для низколегированных сталей перлитного класса и хромистых коррозионностойких.

В основе процесса цементации заложен принцип химической и термической обработки металла. Вся суть процедуры в насыщении поверхности стали необходимым количеством углерода при определенных температурных условиях.

Несколько лет назад эту процедуру в домашних условиях было практически невозможно реализовать. Сегодня это возможно с использованием среды графита или их аналогов. Главное — это желание и некоторые знания.

Общая информация о процессе

В первую очередь необходимо понимать основы термической обработки стали.

К особенностям цементации металла относят следующие факторы:

1. Благодаря процедуре цементируемые стали становятся прочнее, что повышает износостойкость и прочность материала;
2. Свойства эксплуатации металла изменяются за счет нагрева изделий в жидкости, газовой или твердой среде, что улучшает ее характеристики;
3. Нагревание деталей можно до разных температур, нет ограниченной константы и точных рекомендаций. В домашних условиях процесс цементации проходит при температуре 500 градусов по Цельсию. В промышленных условиях с использованием профессионального оборудования температура нагрева в печи достигает более 1300 градусов по Цельсию. Следует знать, что температуру выбирают, учитывая концентрацию примесей и углерода.
4. Профессионалы рекомендуют в домашних условиях цементировать низкоуглеродистые виды стали (приблизительно 0,2%). Например, лезвие от недорогого кухонного ножа, изготовленного из стали или небольшие детали.
5. В структуру стали углерод проникает довольно медленно. Поэтому цементация лезвия ножа в условиях домашней процедуры происходит со скоростью не более 0,1 мл в час. Чтобы это же лезвие выдерживало более сильные нагрузки, нужно усиливать слой толщиной до 0,8 мл в час. Еще важно понимать, что цементация ножа или небольшого вала в условиях домашнего цеха займет минимум восемь часов. При этом следует удерживать определенную температуру в печи, чтобы не нарушить температурный режим.
6. В процессе цементации изменяется не только свойство металла, но и его фазовый состав и атомная решетка. В целом поверхность получает такие же характеристики, как и при закалке, но при этом существует возможность контроля в узком диапазоне температур, чтобы избежать различных дефектов материала.

Осуществить цементацию нержавеющий стали немного сложнее, но в то же время это качественно улучшит характеристики этого вида металла.

В какой среде возможна цементация стали

Процесс закалки проходит в различных условиях среды:

• в твердой;
• в газообразной;
• в растворе электролита;
• в виде специальной пасты;
• в кипящем слое.

Чаще всего в условиях домашнего цеха проводится цементация стали графитом. Это сильно упрощает процесс, так как не нужно дополнительно еще заботиться о сильной герметичности печи.

В промышленном производстве чаще всего используют газ, так как этот способ сокращает время, затраченное на закалку.

Разновидности металла, который можно обрабатывать

Выделяют три основные группы металла, который используется для закалки:

1. Сталь с неупрочняемой сердцевиной. В эту группу входят следующие марки стали, пригодной для цементирования — 20, 15 и 10. Эти детали имеют небольшой размер, используются для эксплуатации в бытовых условиях. Во время закалки происходит трансформация аустенита в феррито-перлитную смесь.
2. Сталь со слабо упрочняемой сердцевиной. В эту группу вошли металлы таких марок, как 20Х, 15Х (хромистые низколегированные стали). В этом случае проводят дополнительную процедуру лигирования с помощью небольших доз ванадия. Это обеспечивает получение мелкого зерна, что приводит к получению более вязкого и пластичного металла.
3. Сталь с сильно упрочняемой сердцевиной. Этот вид металла используют для изготовления деталей со сложной конфигурацией или большим сечением, которые выдерживают различные ударные нагрузки, подвергаются воздействию переменного тока. В процессе закалки вводится никель или при его дефиците используют марганец, при этом для дробления зерна добавляют малые дозы титана или ванадия.

В целом процесс цементации стали необходим для улучшения износостойкости и прочности деталей.

Чаще всего цементации подвергаются валы, оси, лезвия ножей, детали подшипников и зубчатые колеса.

Как происходит цементация стали в твердой среде на предприятии и в условиях домашнего цеха?

Смесь для твердой цементации готовится из бария, кальция с древесным углем и углекислого натрия. Уголь лучше брать из дуба или березы и разделить его небольшие фракции, не более десяти миллиметров. Чтобы удалить лишнюю пыль, уголь рекомендуют просеять. Соли тоже измельчают до состояния порошка и пропускают через сито.

Существует две методики для приготовления смеси:

1. Уголь из дерева поливают солью, которую предварительно растворяют в воде. Получившуюся смесь высушивают, ее влажность должна быть не более 7%.
2. Сухой уголь и соль тщательно перемешивают, чтобы исключить возможность появления пятен уже в процессе химической и термической обработки.

При этом, первая методика считается более качественной. Так как она гарантирует, что смесь выйдет равномерной, а результат без пятен и разводов. Готовую смесь еще называют карбюризатором.

Сам процесс твердой цементации проходит в специальных ящиках, где насыпана смесь в нужном количестве. Идеально, если ящики соответствуют размеру и форме изделия, которое обрабатывают. Так как в этом случае снижаются затраты времени на прогрев тары, а качество слоя цементации улучшается. Для избежания утечки газа щели замазывают специальной огнеупорной глиной и накрывают все плотно прилегающей крышкой.

Следует обратить внимание, что изготавливать тару, идеально подходящую, экономически выгодно, если речь идет о конвейерной процедуре. Если же нужно одну или две детали закалить, то лучше выбрать тару универсальной формы — квадратную, круглую или прямоугольную.

Ящики выбирают из малоуглеродистой или жаростойкой стали.

Сам процесс цементации в твердой смеси проходит следующим образом:

• детали, которые необходимо закалить, равномерно укладываются в ящики, наполненные твердым карбюризатором;
• печь разогревают до 900−1000 градусов и подают в нее тару с изделиями;
• прогрев ящиков проходит при температуре от 500 до 700 градусов. Этот прогрев называют сквозным. Сигналом, что печь накалилась до нужной температуры служит однородный цвет подовой плиты, на ней больше нет темных участков под ящиками;
• температуру поднимают до 900 или 1000 градусов по Цельсию.

Именно при таком температурном режиме происходят диффузные изменения в структуре деталей на уровне атомов.

В домашних условиях достаточно сложно нагреть печь до нужной температуры и выдержать весь температурный режим от начала и до конца. При этом все возможно. Следует помнить, что эффективность домашней цементации намного ниже, чем промышленной.

Цементуемые стали с помощью газа

Впервые цементацию стали газом осуществили на Златоусовском комбинате под бдительным руководством П. Аносова. Этот эффективный способ разработали В. Просвирин, С. Ильинский и Н. Минкевич.

Суть процесса достаточно проста — металл цементируется под влиянием углеродсодержащего газа (природного, искусственного или генераторного) в герметически закрытой печи.

Самый доступный и часто используемый газ — это состав, который получают при разложении нефтепродуктов.

Его изготавливают следующим способом:

• в специальную емкость из стали наливают керосин, нагревают до процесса пиролиза — разложения керосина на смесь из нескольких газов;
• примерно 60% этого газа модифицируют и делают подходящим для цементации.

Смесь из модифицированного газа и чистого пиролизного газа используют для цементации. Необходимость модификации части газа вызвана тем, что от использования чистого пиролизного газа на стали получается недостаточная цементация, а на некоторых деталях может оседать немного сажи, которую сложно удалять.

Сам процесс цементации стали с помощью газа проводят на специальных печах-конвейерах непрерывного действия. Либо используют уникальные стационарные агрегаты.

Сначала в печь, ее муфель, помещают деталь. Установку закрывают и накаляют печь до 950 градусов. Потом подают заранее подготовленный газ.

Провести эту процедуру в домашних условиях практически нереально.

В то же время она имеет несколько преимуществ перед твердым способом обработки:

• меньше времени затрачивается на подготовку сырья для цементации;
• более благоприятные и безопасные условия для труда рабочих;
• ускорение процесса закалки за счет сокращения времени на выдержку изделий.

Самое важное при цементации стали — это грамотно организованный процесс и качественное оборудование и сырье. Твердый способ вполне можно реализовать в домашних условиях при наличии печи, карбюризатора и металлических форм. А также определенных умений и навыков, связанных с этим процессом закалки стали.