Каления метала Существует множество подходов к обработке конструкций из металла. Одним из них является цементация стали — химикотермический процесс насыщения металла свободным углеродом для улучшения его физических свойств, прочности поверхности и пластичности сердцевины.

Детали и механизмы, работающие в условиях повышенного трения и вибрации, испытывающие механические удары, в первую очередь подлежат подобной термообработке. Перед проведением работы необходимо знать, какие стали подвергаются цементации и в чем заключается основная специфика этой технологии обработки металлов.

Содержание материала

Особенности цементирования стали

Следует отметить, что технологический процесс цементации стали — это одна из важнейших операций современной металлургии.​ Цементация, как способ термообработки, имеет ряд своих определенных особенностей:

  • Как самому закалить металл При организации процесса цементации необходимо придерживаться временных и температурных интервалов. Оптимальная плотность атомарного углерода достигается в условиях температурного режима от 850 до 950 °C.
  • Особенностью диффузного насыщения является относительно небольшая скорость процесса, поглощение поверхностью металлов атома углерода происходит в режиме 0,1 мм/час (показатель изменяется в зависимости от температуры и среды термообработки). Поскольку минимальная толщина слоя поверхности 0,8 мм, полезные качества деталь приобретает после 8 часов цементации.
  • Состав легированных (инструментальных) и низкоуглеродистых сталей имеет ограниченную долю углерода 0,2−0,25%. Способность поглощать дополнительные атомы газа позволяет эффективно использовать метод цементации при термообработке этих видов стали. Приемлема обработка машиностроительных, строительных и арматурных видов стали марок 20х, 40х. Углеродистые стали методом цементации не обрабатываются.
  • Закалка методом цементации осуществляется в присутствии твердого и газового карбюризатора (вещества, способного отдавать атомы углерода). Также насыщение поверхности происходит в кипящей среде, пасте, растворах, содержащих электролит.
Читайте также:  Токарная обработка металла и работа на винторезных станках

Способы химикотермической обработки

Производственные циклы металлургической промышленности, как правило, включают цементацию с помощью газовых и твёрдых карбюризаторов.

При первом способе изделие обработки упаковывают в контейнер, наполненный веществом науглероживания (карбюризатором). Второй случай предусматривает помещение детали в герметичную печную камеру, предварительно создав в ней определенную атмосферу.

Процесс в твердой среде карбюризатора

Цементация металла Цементация с использованием твердой среды карбюризатора — при таком подходе используют элементы органики (кости, древесину и так далее) и неорганики (кокса) в комплексе с разнообразными активирующими веществами. Насыщение углеродом будет происходить одновременно с реакцией окисления изотопа. Применение активаторов катализирует процесс поглощения атома углерода металлической поверхностью. Метод целесообразен для получения большой глубины проникновения частиц в металл. Он оправдывает себя при эксклюзивном изготовлении стальных изделий, поскольку является довольно трудоемким и требует затрат времени и энергии.

Газообразная среда термообработки

Процесс насыщения углеродом, происходящий под воздействием обогащенного природного или инертного (азот) газа, широко применяется в масштабном производственном цикле. Выбор газообразной среды зависит от индивидуальных особенностей термообработки. При этом цементируемые стали на основе газов имеют небольшой процент алифатических предельных атомов углеводорода, пропана или алканов. Этот подход к обработке метала несет немалые денежные затраты и рентабелен только при массовости обработки.

Аналогичный способ применяют при термическом производстве, в раскаленную роторную печь вводят органические высокомолекулярные смеси скипидара, этилового спирта и так далее, которые распадаются и под влиянием никелевых катализаторов способствуют образованию свободных атомов углерода.

Читайте также:  Сварка алюминия аргоновым полуавтоматом

Жидкостная цементация

Как заполировать нержавейку в домашних условиях Для осуществления химической реакции жидкой цементации используют цианидные и бесцианидные ванны. Цианидные ванны классифицируют, как небезопасные носители не только для экологии, но и для человека. Поэтому при работе в таких условиях необходимо тщательно придерживаться предписанных мер безопасности во избежание нежелательных последствий.

Метод с использованием бесцианидной ванны наносит загрязнения окружающей среды, имеющие необратимые последствия. Способы с использованием жидких карбюризаторов если и применяют, то в случае получения небольшой глубины науглероживания поверхности.

Цементация стали в домашних условиях

При организации химикотермической обработки стали в условиях дома выбирают метод цементации с твердым карбюризатором. Связано это с относительной простотой его реализации.

Состав и изготовление карбюризатора

Как правило, в роли твердого карбюризатора выступает барий или кальций, смешанный с древесным углем при добавлении углекислого натрия. В сущности это порошкообразная соль, максимально измельченная с помощью хозяйственного сита.

От степени однородности перемешанной соли и угля зависит равномерное распределение углерода, при смешивании существует вероятность образования областей в виде пятен с низким содержанием изотопа. Поэтому эффектней примененять древесный уголь, политый раствором на основе воды и соли. Карбюризатор сушат до получения среды с 7% показателем влажности.

Организация процесса

Оборудование для хромирования Используя металлический ящик, заготовку помещают в приготовленную угольною смесь, при этом выбирают толщину слоя с учетом габаритов обрабатываемой поверхности детали. Применяют глину, назначение которой — термостойкий герметик.

Устанавливают и прогревают печь до температуры 700 градусов по Цельсию. Степень начального, сквозного прогрева, определяется однородностью цвета металлического ящика и свидетельствует о возможности дальнейшего продолжения обработки.

Читайте также:  Как выбрать сварочные электроды для инвертора: электросварка

На завершающем этапе, включающем нагревание среды цементации до достижения рабочей температуры около 950 градусов, немаловажно добиться равномерности прогрева поверхности обрабатываемых заготовок, иначе могут присутствовать дефекты, как следствие нераспределенного перестроения структуры атомов.

На сегодняшний день существуют все условия для проведения подобной процедуры в быту, преимуществом которой являются простота и доступность, трудность составляет лишь достижение требуемых температурных режимов. Основной недостаток науглероживания стали в домашних условиях заключается в невозможности наладки оборудования для реализации масштабной обработки металла. По этой причине показатель рентабельности такого процесса довольно низкий.

Менее распространенные способы

При химикотермической обработке сталей с низким содержанием углерода допускается применение альтернативных условий науглероживания их поверхности. Цементация стали 20, 15 и низкоуглеродистых легированных видов (20Х, 20ХГНР, 20Х2Н4А, 20 Г, 18Х2Н4ВА, 12ХНЗА) возможна с помощью других карбюризаторов:

  • Раствор электролита. Способ обработки основывается на анодном эффекте, который позволяет в растворах многокомпонентных электролитов, обогащать углеродом поверхности малогабаритных деталей. Рабочие параметры процесса — напряжение 150−300 В, температурный режим от 450 до 1050 градусов Цельсия. В раствор электролита добавляют вещества с содержанием углерода: сахароза, глицерин, ацетон.
  • Кипящий слой. Слой имеет вид парящего потока метана и эндогаза, который проходит через корунд мелкой фракции (0,05−0,2 мм), находящийся на газораспределительной решетке промышленной печи.
  • Пасты. Науглеродить поверхность металла с помощью этого карбюризатора можно при нанесении слоя пасты (желтая соль, сажа, древесная пыль), дальнейшем просушивании и нагревом. Рабочая температура 910−1050 градусов достигается силой тока промышленной либо высокой частоты.

После процесса цементации металл подвергают дополнительным обработкам, таким как отпуск или шлифование поверхности.