Что представляет собой процесс цементации стали

Насыщение стали углеродом, или цементация — один из часто используемых методов упрочнения металлических конструкций. Благодаря этому материал приобретает новые, полезные свойства. Как выглядит процесс цементации стали, и каковы его преимущества, вы узнаете, прочитав статью далее.

Метод цементации стали

Процесс цементации стали представляет собой не что иное, как насыщение поверхности металла углеродом. Повышенное содержание углерода в металле приводит к улучшению свойств этого материала, включая большую твердость и прочность.

Это связано с тем, что поверхность металла подвергается термической (или термохимической) обработке, способствующей поглощению углерода. Обычно процесс цементации необходим для мягких марок стали, таких как низкоуглеродистые стали.

Благодаря этому содержание углерода в них может увеличиться с 0,25% до 1,3% и более. В свою очередь, глубина цементации составляет от 0,5 до 2 мм.

Какие существуют виды цементации

В промышленности применяются различные методы цементации стали.  К наиболее популярным из них относятся газовая, жидкостная и твердотельная техники. Однако развитие техники позволило создать другие, не менее эффективные методы цементации: вакуумный, плазменный и пакетный процессы. Различия этих технологий мы рассмотрим далее.

Газовая цементация

Этот метод применяется для массовой цементации деталей и отличается высокой эффективностью. В процессе газовой цементации в основном используются такие ингредиенты, как природный газ или пропан – это газы с высоким содержанием углерода, что ускоряет процесс.

Газовая цементация предполагает помещение стального элемента в газовую атмосферу, постоянно пополняемую окисью углерода и подвергающуюся воздействию высоких температур. Стоит отметить, что этот метод хотя и существенно сокращает время цементации стали, но требует, чтобы атмосфера была многокомпонентной и постоянно контролировалась.

В противном случае могут возникнуть нежелательные дефекты, например, образование оксидов на поверхности металла. Несмотря на это, газовая цементация может быть хорошим решением для массовой обработки.

Жидкая цементация

Для жидкостной цементации используется смесь расплавленной соли и карбида кремния. Элемент погружается в ванну, и соль помогает внедрить углерод на поверхность стали. Прочность металла достигается за счет явления диффузии — в данном случае распространения молекул углерода в жидкой среде. В результате образуется твердая оболочка, напоминающая арматуру, полученную газовой цементацией.

Твердая цементация

При твердой цементации основным источником атомов углерода является использование порошкообразного древесного угля (обычно из таких деревьев, как дуб, бук или береза).

Порошковая цементация стали имеет достаточно простой принцип работы – сталь помещается в специальный ящик вместе с порошком и веществами, ускоряющими цементацию (например, карбонатом бария или карбонатом натрия). Затем металл нагревают до очень высоких температур, доходящих до 900-950°С. Для закрепления эффекта можно также закалить сталь.

Вакуумная цементация

Вакуумная цементация стали предполагает использование низкого давления в сочетании, например, с метаном или другим газообразным углеводородом. Процесс происходит в вакуумной печи, что гарантирует бескислородную среду – это необходимо для возможности обработки материала при более высокой температуре без риска окисления металла.

Благодаря этому диффузия углерода происходит намного быстрее и не способствует нежелательному окислению. Однако из-за низкого давления может происходить неравномерное образование покрытия, особенно в более крупных углублениях металлических элементов.

Чтобы бороться с этим, оператору следует время от времени увеличивать давление, чтобы не образовываться свободный углерод или сажа. Это обеспечит тщательное и равномерное покрытие.

Плазменная цементация

Плазменный метод — еще один метод, позволяющий ускорить процесс упрочнения стали. Науглероживание происходит за счет использования плазмы, которая переносит положительно заряженные атомы углерода на металл.

Этот метод также может способствовать более быстрой диффузии углерода, а также обеспечивает удовлетворительные результаты при обработке стали неправильной формы. Стоит отметить, что цементация стали плазмой более экологична, чем газовая или твердотельная.

По этой причине этот метод все чаще применяется на заводах с крупносерийным производством продукции – он прекрасно работает с различными видами стали.

Пакетная цементация

Для эффективного проведения пакетной цементации стали необходимо упаковывать металлические детали в среде с очень высоким содержанием углерода. В этом случае применяются следующие вещества: угольный порошок или чугунная стружка, которые должным образом нагреты – термическая обработка способствует образованию угарного газа.

Затем углерод диффундирует на поверхность стали, создавая укрепляющую корку. Пакетная цементация может дать удовлетворительные результаты, но требует тщательного контроля температуры. Весь процесс происходит медленнее, чем в случае с ранее упомянутыми вариантами.

Каковы преимущества цементации стали

Как мы упоминали в начале статьи, насытив поверхностный слой углеродом, можно значительно укрепить обрабатываемый материал. 

Каковы еще преимущества цементации? Прежде всего, это:

Высокая стойкость материалов – сталь, упрочненная цементацией, обладает такими свойствами, как повышенная твердость и стойкость к истиранию, благодаря чему может служить долговечным элементом конструкции. Причем повышенная долговечность заметна уже на уровне ядра.

Прочность на износ науглероженных элементов – нержавеющая сталь и другие металлы после науглероживания могут использоваться в качестве деталей зубчатых колес, промышленных машин (например, токарных станков или шлифовальных станков по металлу) или инструментов. Стоит отметить, что цементация стали хотя и повышает твердость металла, но пластичность он все же сохраняет.