Цементация стали

Что такое цементация стали

Детали механизмов, испытывающие постоянное трение и ударные нагрузки, ставят перед металлургами задачу с двойным условием: наружный слой должен сопротивляться истиранию, а глубинная часть — не терять пластичности. Разрешить это противоречие помогает химико-термическая методика, обогащающая внешнюю зону стали атомами углерода. Приём прочно вошёл в арсенал машиностроителей и ощутимо увеличивает ресурс нагруженных узлов.

Способы, которыми проводят обработку

Инженерная практика накопила целый набор путей, позволяющих ввести углерод в металл. Насыщение выполняют в сыпучих порошковых составах, в потоках газа, в жидкостных ваннах, посредством электролиза, в разрежённой камере, а также нанесением особой обмазки. Разнятся эти пути и по технологической схеме, и по толщине формируемого слоя. Промышленность чаще прочих обращается к двум вариантам — порошковому и газовому.

Обработка в сыпучей порошковой смеси

Фундаментом порошкового способа выступают материалы с высоким запасом углерода, которые в металловедении принято именовать карбюризаторами.

Обычно карбюризатором служит древесный уголь дубовой либо берёзовой породы, а порой применяют и комбинацию обеих. Технологическая цепочка разворачивается по такому сценарию. Порошковый состав загружают в контейнеры из жаростойкого сплава, чьи очертания и вместимость соотносят с конфигурацией конкретных заготовок. Изделия погружают внутрь, а угольную массу распределяют по всему объёму без пустот и перекосов. Дабы исключить просачивание, тару уплотняют и отправляют в печь, предварительно прогретую до 700 градусов по Цельсию.

Затем наступает черёд визуальной проверки: у всех прогреваемых заготовок окраска обязана быть однотонной. Печной жар доводят до отметки 800–950 градусов по Цельсию — на этой стадии углерод энергично высвобождается и внедряется в межкристаллические промежутки металла. Продолжительность выдержки диктует запланированная толщина насыщенной зоны.

Обработка в газовой атмосфере

К газовому варианту прибегают предприятия с большим объёмом выпуска, где толщина слоя, как правило, ограничена двумя миллиметрами. Действующими агентами тут выступают природные либо синтезированные газы, богатые углеродом, а среди них преобладают продукты, возникающие при расщеплении нефтяного сырья. Источником газа нередко становится керосин, поскольку углеродная составляющая в нём слабо удерживается. Часть газовой смеси при надобности подвергают доработке, стремясь загнать углерод поглубже. По аналогии с порошковым методом операцию ведут в наглухо запечатанных печах.

Своеобразие газового пути — в его затяжном характере. Ради насыщенного слоя толщиной 1,2 миллиметра приходится выдерживать заготовку порядка 15 часов при 900 градусах по Цельсию. Желая укоротить это ожидание, температуру иногда наращивают. Нынешние заводы задействуют горючий природный газ, который удерживает углеродный баланс внутри печного пространства.

Что даёт цементация металлу

Обогащение углеродом ощутимо поднимает служебные качества стали. Изделие, прошедшее такую процедуру, становится твёрже, обретает дополнительный запас прочности и лучше противостоит механическому износу.

Под обработку идут стали, бедные углеродом, а вместе с ними и легированные марки. Такой отбор продиктован логикой: после закалки внутренняя область детали обязана удержать вязкость, и малоуглеродистая основа как раз гарантирует подобное поведение. Температурный режим назначают сообразно требуемой глубине науглероживания, и на производстве он вписывается в коридор от 800 до 1200 градусов по Цельсию. Толщина обогащённого пласта, смотря по силе воздействия, способна достигать 2,5 миллиметра.

Настолько интенсивный прогрев требуется, чтобы привести углерод в активное состояние — ведь именно на нём держится весь механизм превращения. Разогретые атомы углерода уходят вглубь межкристаллических зазоров металла и надёжно там оседают.

Тонкости и завершающие операции

Темп реакции углерода со сталью довольно скромен, что напрямую сказывается на времени процедуры. На прирост слоя всего в 0,1 миллиметра в среднем расходуется от 60 до 70 минут. По завершении насыщения заготовки направляют на термообработку: приповерхностная зона обзаводится мартенситом, а следующий за закалкой отпуск разгружает металл от скопившихся внутренних напряжений.

Есть у цементации и ряд признаков, выделяющих её среди иных методов упрочнения. Процедуру проводят при плавном равномерном прогреве, погружая сталь в порошковую, жидкостную или газовую среду, — параллельно с нагревом преображаются и характеристики самого металла. При этом добротность формируемого слоя тесно завязана на плавность прогрева: чем размереннее поднимается температура, тем глубже уходит углерод и тем выше оказываются износостойкость и прочность.

Разброс допустимых температур весьма велик. В заводских условиях нагрев временами подбирается к 1200 градусам по Цельсию, а вот в домашнем обиходе за оптимум принимают величину порядка 500 градусов. Вдобавок поверхность сплава перенимает свойства, характерные для повторной закалки, и объясняется это перестройкой атомной решётки под действием ровного прогрева.