Технология цементации стали, ее сущность и назначение — методики и видео. Закалка режущей кромки ножа графитом Печки изготовление в домашних условиях для цементации

Цементация стали – это высокотемпературный процесс, сопровождающийся насыщением поверхности атомарным углеродом. В результате повышаются качественные характеристики верхнего слоя изделия, в частности крепость, что увеличивает стойкость к различным нагрузкам. Метод начал применяться еще с середины девятнадцатого века: сталь производили путем сквозной цементации железа.

По технологии обработки цементация схожа с азотированием, с одним отличием – вторая технология насыщает верхний слой азотом, придавая обработанным изделиям антикоррозийные свойства. Азотирование применяют при работе со сталью, содержащей такие элементы, как хром, алюминий, титан и другие. Это связано с тем, что соединения данных металлов отличаются прочностью и высокой устойчивостью к температурным воздействиям.

Существуют несколько способов цементации стали. Некоторые из них пригодны для применения в домашних условиях. Все это будет рассмотрено в данной статье.

Цементация металла – одна из разновидностей химико-термической обработки поверхностей наряду с азотированием, цианированием и алитированием. Сущность и ее назначение заключаются в диффузионном насыщении поверхности заготовки атомами углерода. В результате повышаются следующие характеристики:

• твердость;
• прочность;
• стойкость к механическим воздействиям.

Температуру цементации выбирают исходя из требуемой степени науглероживания заготовки. Она находится в диапазоне от 800 до 950 °C. Технологию применяют для обработки низкоуглеродистой или легированной стали. Это связано с тем, что внутренняя часть детали должна оставаться вязкой после закалки. Глубина насыщенного слоя может достигать 2,5 мм в зависимости от интенсивности воздействия.

Высокая температура необходима для активизации углерода, который играет ключевую роль в цементации. В этом случае он легко проникает в межкристаллическое пространство стали и усваивается там.

Технология отличается низкой скоростью взаимодействия стали с углеродом. Для получения слоя толщиной 0,1 мм требуется в среднем один час. Примечательно, что процесс имеет прямую зависимость: глубина цементации не влияет на время обработки.

Методы цементации металлов и сплавов

За долгую историю было разработано несколько способов. Современные технологии позволяют проводить процессы цементации в следующих условиях:

• твердая среда;
• газовая среда;
• жидкая среда;
• вакуум;
• с применением специальной пасты;
• цементация в электролите.

Вышеперечисленные методы отличаются технологией и глубиной насыщения. Рассмотрим их подробнее.

Цементация с использованием твердой среды

Для цементации стали по данной технологии используют специальные углеродсодержащие вещества, которые называются карбюризаторами.

Карбюризаторы способны отдавать углерод материалам, расположенным по соседству. Для этого необходима высокая температура.

Наибольшей популярностью пользуются следующие карбюризаторы:

• березовый древесный уголь;
• дубовый древесный уголь.

Иногда применяют их смесь. Для работы уголь дробится на фракции, размер которых не должен превышать 10 мм. После этого он смешивается с солью угольной кислоты из любого металла щелочной группы. Массовая доля угля в составе, как правило, достигает 88–90%. Перед применением смесь просеивают с целью удаления наиболее мелких фракций вроде пыли и крошек.

Существуют два способа приготовления рабочего состава:

1. Сухой. В этом случае соль и уголь тщательно перемешивают. В противном случае результат будет некачественным: на поверхности будут видны необработанные участки стали.
2. Мокрый. Уголь поливают водным соляным раствором, после чего высушивают. Уровень влажности рабочей смеси не должен превышать 6–7%.

Последний способ считают наиболее эффективным для качественной модификации стали.

Процесс насыщения поверхности углеродом выглядит следующим образом:

1. Рабочую смесь насыпают в ящики, изготовленные из термостойкого материала. Форма и размеры зависят от типа обрабатываемых деталей.
2. Объекты для цементации помещают в ящик. Угольная смесь должна быть равномерно распределена по внутренней поверхности.
3. Во избежание утечек производят герметизацию емкости, обрабатывая закладную часть шамотной глиной.
4. Ящик помещают в печь, которую прогревают до 700 °C.
5. На данном этапе осуществляют визуальный контроль процесса: все нагреваемые элементы должны иметь ровный цвет без темных пятен на поверхности.
6. Температуру в печи повышают до рабочего уровня: 800–950 °C. Начинается процесс активного освобождения углерода и его проникновения в межкристаллическую решетку стали.
7. Время обработки зависит от требуемой глубины цементации стали.

Процесс цементации в газовой среде

Данная технология обработки стали применяется на крупных предприятиях при массовом производстве. При этом глубина проникновения углерода не превышает 2 мм. Рабочим веществом служат газы искусственного или природного происхождения с высоким содержанием углерода. Наибольшей популярностью пользуются газы, являющиеся побочными элементами распада нефтепродуктов.

Для получения газа используют керосин ввиду неустойчивости углерода в его составе. Часть газа подвергают модификации для увеличения глубины проникновения.

Как и в предыдущем способе, для обработки используют специальные, герметично закрытые печи.

Технология отличается длительным процессом обработки. Для получения насыщенного слоя стали глубиной 1,2 мм необходимо 15 часов при 900 °C. Для ускорения реакции необходимо повысить температуру.

Современные предприятия проводят обработку с применением горючих природных газов, которые поддерживают углеродный баланс внутри печи.

Проведение цементации в жидкой среде

Реакция происходит в насыщенном растворе карбонатных солей щелочных металлов, обладающих низкой температурой плавления. Процесс обработки выглядит следующим образом:

1. Соляной раствор наливают в специальную емкость.
2. В жидкость опускают детали.
3. Раствор нагревают до рабочей температуры, которая составляет 850 °C.
4. Заготовку выдерживают заданное время. Обычно оно не превышает 3 часов.

Достоинства данного метода – высокая скорость реакции и равномерное покрытие поверхности стали. Недостатком является глубина проникновения углерода – до 0,5 мм.

Передовая технология, которая отличается высокой скоростью проникновения углерода в сталь. Процесс обработки полностью автоматизирован: время подачи углерода, регулировка рабочего давления и скорость реакции контролируются программным обеспечением, которое установлено на всех компьютерах печи.

Этапы обработки:

1. Стальную заготовку помещают в камеру.
2. Из корпуса выкачивают весь воздух, создавая вакуум.
3. Печь нагревают до рабочей температуры.
4. Деталь выдерживают определенное время.
5. В камеру подают углеводородный газ под давлением.
6. Под действием вакуума углерод активно внедряется в кристаллическую решетку.
7. Науглероживание стали выполняют в несколько этапов в зависимости от требуемой глубины проникновения.
8. В камеру подают инертный газ, охлаждая температуру.

Из достоинств необходимо выделить полное отсутствие кислорода, что повышает качество обработки.

Способы цементации пастами

Если модификация носит непостоянный характер, используют специальные пасты из сажи и угля древесного происхождения. Для получения глубокого проникновения требуется наносить толстый слой. После этого деталь помещают в индукционную печь. Для достижения результата требуется температура 1000–1050 °C.

В электролитическом растворе

Данный метод обработки стали имеет сходство с гальванизацией. Процесс проходит в растворе электролита, в котором под действием электричества образуются свободные атомы углерода. Температуру и напряжения устанавливают в зависимости от необходимой глубины проникновения.

Можно ли цементировать сталь в домашних условиях

В случае необходимости можно цементировать металл в домашних условиях. Как правило, для этих целей выбирают технологию обработки в твердой среде. Время насыщения может занимать несколько часов, поэтому основная сложность кустарных работ – поддержание заданной температуры на протяжении всего цикла.

Качество домашней обработки значительно ниже, чем в условиях промышленных установок. Кроме того, рентабельность работ может обеспечить только большое количество обрабатываемых деталей, что не всегда возможно.

Свойства металла после обработки

В результате насыщения углеродом твердость верхнего слоя может достигать 64 HRC. Интенсивное температурное воздействие изменяет структуру после цементации.

Для нивелирования этих свойств заготовку подвергают повторной обработке и закалке с последующими нормализацией или отпуском в зависимости от типа стали.

Во время закалки благодаря образованию феррита происходит измельчение зерновой структуры.

Во избежание поверхностных деформаций на завершающем этапе проводят низкотемпературный отпуск стали.

Цементацию стали применяют для получения высокопрочной поверхности, которая способна выдерживать значительные нагрузки, что увеличивает срок эксплуатации. А вы когда-нибудь пробовали обрабатывать детали по данной технологии в домашних условиях? Расскажите о качестве полученного продукта в комментариях.

Одним из часто применяемых способов химико-термической обработки металла является цементация стали, которая может осуществляться в разных средах при достаточно высоких температурах.

1 Процесс цементации стали – общие сведения

Под химико-термической обработкой стали понимают процесс нагрева изделий в жидкой, газовой либо твердой среде с целью изменения их химического состава, которое достигается за счет насыщения углеродом поверхностного слоя обрабатываемых объектов. Такое изменение существенно повышает износостойкость и твердость деталей. Причем их сердцевина остается вязкой.

Процесс цементации дает ожидаемые результаты в тех случаях, когда обрабатываются низкоуглеродистые стали, в которых содержание углерода не превышает показателя в 0,2 процента. Поверхностный слой изделия насыщается при его нагреве до определенной температуры (от 850 до 950 °С) в специально подобранной среде, способной без проблем выделять активный углерод.

При указанных условиях модифицируется не только химсостав детали, но и ее микроструктура, а также фазовый состав. Поверхность изделия становится упрочненной, по сути, она получает характеристики, аналогичные тем, которые получаются после . При этом очень важно правильно подобрать длительность выдержки стали и температуру цементации.

Цементирование стали – это достаточно продолжительный процесс. Как правило, скорость насыщения поверхности и получения ей особых свойств равняется приблизительно 0,1 миллиметр за 60 минут выдержки. Для большинства деталей требуется упрочненный слой более 0,8 мм, а значит, процесс займет не менее 8 часов. Сейчас цементацию производят в следующих средах (их называют карбюризаторами):

• в газовой;
• в пастообразной;
• в твердой;
• в растворах электролитов;
• в кипящем слое.

Чаще всего, используется цементация в газовом и твердом карбюризаторе.

2 Цементация стали в твердой среде – в домашних условиях и на предприятии

Твердый карбюризатор делается из смеси углекислого натрия, бария или кальция с древесным углем (березовым либо дубовым), который дробится на небольшие фракции (от 3 до 10 мм), а затем с целью удаления пыли просеивается. Соли также необходимо измельчить до порошкообразного состояния и пропустить через сито.

Непосредственно смесь готовится по двум методикам:

• сухая соль и уголь перемешиваются максимально тщательно, чтобы исключить вероятность образования пятен в процессе химико-термической обработки стали;
• древесный уголь поливается солью, которую перед этим растворяют в воде, затем получившуюся композицию высушивают (влажность готовой смеси должна быть не более 7 %).

Вторая методика признается в разы качественнее первой, так как гарантирует получение равномерной смеси для насыщения поверхностей углеродом. Древесного угля в готовом карбюризаторе – от 70 до 90 %, остальная часть – углекислый кальций и углекислый барий.

Осуществляется твердая цементация в ящиках с карбюризатором. Оптимально, если ящики производят по форме тех изделий, которые предполагается обрабатывать, так как в этом случае качество цементованного слоя улучшается, а время, идущее на прогрев "тары", снижается. Чтобы исключить утечку газов, ящики замазывают глиной (огнеупорной) и накрывают плотно прилегающими крышками.

Отметим, что "тару" специальной формы (под конкретный вид изделий) экономически целесообразно изготавливать и использовать только тогда, когда химико-термической обработке подвергается множество деталей. Чаще же применяются стандартные по форме (квадратные, круглые и прямоугольные) ящики с разными геометрическими параметрами, что позволяет выбирать их в зависимости от числа изделий и размера печи.

В качестве материала для ящиков выступает малоуглеродистая или (что лучше) жаростойкая сталь. А сам процесс обработки в твердом карбюризаторе проводится по такой схеме:

• изделия, которые следует насытить углеродом, укладывают попеременно с приготовленной смесью в ящики;
• печь нагревается до 900–950 °С, в нее и подается "тара";
• выполняют прогрев ящиков при температуре от 700 до 800 градусов (такой прогрев называют сквозным), сигнализатором достаточного уровня нагрева служит однородный цвет подовой плиты (без темных мест под ящиком);
• поднимают до 900–950 °С температуру в печи.

При указанной температуре проходит диффузия в кристаллическую структуру металла активного углерода (его атомов). Теоретически возможна даже цементация дома, есть немало умельцев, которые выполняют данный процесс самостоятельно. Но эффективность "домашней" цементации находится на низком уровне из-за длительности обработки и необходимости обеспечить высокую температуру процесса.

3 Газовая цементация – оптимальный вариант для массовой обработки изделий

Теоретические основы такой цементации были разработаны С. Ильинским, Н. Минкевичем и В. Просвириным, а впервые осуществили ее на Златоустовском комбинате под руководством П. Аносова. Процесс производится в среде углеродосодержащих газов (генераторных, искусственных, природных) в полностью герметичных нагревательных печах. Самым популярным искусственным газом является состав, который получается при разложении нефтепродуктов. Изготавливают его следующим образом:

• в стальную нагретую емкость подают керосин, проходит пиролиз (разложение керосина на смесь газов);
• некоторый объем пиролизного газа (около 60 %) крекируют (модифицируют его состав).

Комбинацию крекированного газа и чисто пиролизного используют для проведения химико-термического процесса науглероживания. Необходимость в получении крекированного газа обусловлена тем, что при использовании только пиролизного состава получается недостаточная глубина цементирования стали, а на деталях, кроме того, оседает очень много сажи, которую не так уж и просто удалять.

Процесс газовой цементации проводится в конвейерных печах непрерывного действия (в методических) либо в стационарных агрегатах. В муфель печи помещают изделия, которые хотят упрочнить, закрывают установку, подогревают ее до 950 градусов, а затем подают подготовленный газ. Преимущества подобной процедуры по сравнению с обработкой деталей в твердом карбюризаторе:

В одном из прошлых материалов мы представили обзор видеоролика по изготовлению . Такой нож имеет толщину клинка 3 мм и если прогреть его до нужной температуры и резко остудить для закалки, то скорее всего клинок выкрутит в пропеллер, или нож попросту лопнет. Поэтому предлагаем обзор видео по закалке такого ножа в графите. По словам автора идеи, закалка в графите имеет преимущество в том, что нагрев требуется только на режущей кромке клинка.

Нам понадобится:
- источник постоянного тока;
- немного соли;
- вода;
- графит в порошкообразном состоянии;
- небольшой кусок тряпки;
- металлический профиль.

Графит можно получить из щеток, используемых в строительных инструментах, а также из пальчиковых батареек. Отметим также, что тряпку желательно использовать не синтетическую. Что касается металлического профиля, то он будет использоваться для изготовления корпуса, и его при желании можно заменить уголком.

Берем профиль и подсоединяем его к плюсовому контакту источника постоянного тока.

Затем берем немного соли и растворяем ее в воде.

После растворения соли в воде, смачиваем ей тряпку. Это нужно для того, чтобы создать своеобразный предохранитель между металлами, чтобы избежать нечаянного прикосновения ножом о металлическую заготовку, поскольку в таком случае возникнет прямая дуга, в результате чего металл ножа испортится.

Отжимаем тряпку и кладем в металлический профиль.

Засыпаем на тряпку графит.

Подсоединяем клинок к минусовому проводу, после чего можно начинать закалку.

Сама по себе цементация стали является процессом, в основе которого лежит Суть ее состоит в осуществлении диффузионного насыщения поверхности указанного материала достаточным количеством углерода при нагревании в определенной среде.

Цементация стали. Цель данного действия

Основной задачей указанного процесса является проведение обогащения верхнего слоя машинных деталей и элементов необходимым количеством углерода, процентное содержание которого в данном случае может составлять 0,8-1,1%. В результате такой операции после осуществления закалки получают высокий уровень твердости материала, при этом его пластичная сердцевина сохраняется. Это немаловажные свойства данного процесса.

Разновидности

По степени прочности образования сердцевины принято выделять три основные группы обрабатываемого материала:

• С неупрочняемой сердцевиной. В данную группу входят такие марки цементируемых как 10, 15, 20. Используют их в деталях с небольшими размерами и малоответственными функциями. В данном случае под цементируемым слоем при осуществлении закалки происходит превращение аустенита в феррито-перлитную смесь.
• С сердцевиной, упрочняемой слабо. В состав этой группы включают хромистые таких марок, как 15Х, 20Х. Здесь проведение дополнительного легирования с помощью малых добавок ванадия обеспечивает получение более мелкого зерна, что приводит к улучшению пластичности и вязкости материала.
• С сильно упрочняемой сердцевиной. Стали данной группы применяют при изготовлении деталей, которые обладают большим сечением или сложной конфигурацией, а также испытывают влияние значительных ударных нагрузок или подвергаются воздействию немалых переменных напряжений. В них осуществляют введение никеля (12Х2Н4А, 12ХНЗА, 20ХН). Из-за дефицитности данного материала иногда проводят его замену марганцем, при этом применяют ввод небольшого количества ванадия или титана для дробления зерна.

В основном цементация стали используется для образования высокого процентного соотношения твердости поверхности детали, а также для достижения высокой износоустойчивости, которая создается благодаря применению термической обработки после проведения указанного процесса.

Какие детали подвергаются данной операции

Цементация стали применяется для следующих изделий:

- "пальцев";

Рычагов;

- "червяков";

Деталей подшипников (крупногабаритных колец и роликов) и др.

Способы цементации

Если существует несколько видов указанного материала, то для каждого из них будет применяться своя собственная методика данного процесса. Как правило, цементированная сталь может создаваться в различных условиях и средах, а также при обязательной температуре от 850 до 950 градусов по Цельсию. Поэтому разделяют несколько методов этого действия:

1. Процесс цементации, происходящий в твердом карбюризаторе. В этом случае возможно использование органических веществ (костей животных, древесины и т.д.) и неорганических (кокса) в сочетании с различными активаторами. Обогащение углеродом будет происходить при проведении химической реакции его окисления. Применение активаторов в данном случае способствует лучшему и быстрому ее протеканию. Такой метод особенно целесообразен для достижения больших глубин науглероживания. Он является эффективным при штучном изготовлении стальных изделий. Однако данный процесс очень трудоемкий, он влечет за собой большие затраты сил, времени и энергии.

2. Процесс цементации, происходящий под воздействием газов. В данном методе принято использовать обогащенные газы (природный, магистральный и др.) или категорию инертных (азот). Все зависит от индивидуального подхода. К тому же цементируемая сталь на основе газов создается с малым процентом алифатических пропана или алканов. Чаще всего этот метод применяется в масштабном производстве, но является очень затратным в плане денежных средств. Похожий способ применяется при термическом производстве. При этом в горячую ротортную печь вводят смеси органических высокомолекулярных соединений (например, скипидара, этилового спирта и т.д.), которые, в свою очередь, обладают способностью распада под влиянием катализаторов (никелевых).

3. Процесс жидкостной цементации. Его применяют в цианидных и бесцианидных ваннах. Каждая из этих сред характеризуется своими особенностями, преимуществами и недостатками. К примеру, цианидные ванны не относятся к категории безвредных. Их принято классифицировать как опасные носители не только для окружающей среды, но и для человека. Поэтому при работе с таким материалом необходимо стараться соблюдать все предписанные меры безопасности, чтобы избежать неблагополучных последствий. А вот метод, основанный на бесцианидной ванне, не рекомендовано применять в силу того, что он ведет к необратимому загрязнению окружающей среды и наносит ей огромный урон. Указанные способы если и применяют на практике, то только лишь для получения небольших глубин науглероживания.

Термообработка цементованных изделий

Данный процесс является также достаточно важным этапом обработки деталей. Ведь даже после цементации изделие не обладает высоким процентом износостойкости и надёжности. Поэтому завершающим шагом в данном случае служит работа по закаливанию и отпуску. Процесс закалки характеризуется рядом особенностей и свойств. Весь процесс цементации проходит под влиянием роста зерна, а его отдача по сечению является неодинаковой и расходуется неравномерно. Поэтому в работе выделяют несколько этапов закалки, каждый из которых происходит в определённых температурных условиях.

Вывод

Ознакомившись с вышесказанным, можно сказать, что организация указанного процесса при изготовлении стальных изделий является очень важной. Данное действие значительно укрепит поверхностный слой детали. При обладании определенными навыками в этой сфере и наличии необходимых материалов и оборудования может быть осуществлена цементация стали в домашних условиях.