Цементация стали в домашних условиях: нагрев в угле

Повысить твёрдость поверхности обычной малоуглеродистой стали, чтобы она могла работать на износ, а внутри оставалась вязкой и не ломалась от ударов — задача вполне решаемая даже в обычной мастерской. Речь пойдёт о химико-термической обработке, а именно о науглероживании поверхностного слоя.

Заводские технологии используют сложные печи с контролируемой газовой атмосферой, но в быту мы можем обойтись древесным углём и простым горном. Суть процесса заключается в диффузии углерода в кристаллическую решётку металла при высокой температуре.

Сталь, нагретая до определённых значений и контактирующая с углеродсодержащей средой, постепенно меняет свой состав у поверхности.

Для подобной процедуры лучше всего подходят стали с содержанием углерода до 0,2 процента. Это распространённые марки 08кп, 10, 20, а также различные конструкционные разновидности.

После завершения процесса на глубине от половины миллиметра до полутора миллиметров концентрация углерода может достигнуть 0,8–1,0 процента, что позволит после закалки получить твёрдость порядка 58–62 единиц по шкале Роквелла. Сердцевина же детали останется вязкой.

Не стоит пытаться науглерожить уже закалённую сталь или инструментальные марки — там углерода и так достаточно, и эффект будет обратным.

В качестве источника углерода выступает обычный древесный уголь, который мы используем для мангалов. Лучше брать берёзовый, так как он даёт более плотную среду и меньше посторонних примесей.

Один только уголь, однако, не обеспечит нужной скорости насыщения, так как процесс окисления на поверхности будет мешать диффузии. Чтобы активировать среду, в состав добавляют углекислые соли.

Проще всего использовать кальцинированную соду, которую можно найти в хозяйственных магазинах. Её потребуется измельчить в порошок и тщательно перемешать с угольной крошкой. Пропорции примерно следующие: на три части угля берётся одна часть соды. Соду также можно заменить углекислым барием или мелом, но карбонат натрия доступнее.

Подготовка деталей перед упаковкой в контейнер требует внимания. На поверхности не должно быть окалины, масляных пятен и глубоких следов коррозии.

Лучше всего обработать изделие мелкой наждачной бумагой, чтобы открыть чистый металл для диффузии. После этого деталь обезжиривают любым растворителем.

Класть её в ящик нужно так, чтобы со всех сторон был равномерный слой насыщающей смеси толщиной не менее двух-трёх сантиметров. Для контейнера используют металлическую ёмкость из жаропрочной стали или просто обрезок трубы с приваренным дном. Сверху необходимо сделать крышку, которую для герметичности замазывают глиной или засыпают песком, чтобы внутрь не попадал воздух.

Сама термическая обработка в угле требует достижения температуры порядка 900–950 градусов Цельсия. Это ярко-красное или оранжевое каление металла.

Визуально этот цвет соответствует пламени зажигалки, если смотреть на него при дневном свете, но на практике ориентируются по оттенку нагретой детали. В заводских условиях выдержка при таких температурах длится от четырёх до восьми часов.

В домашнем хозяйстве время сокращают, потому что сложно поддерживать жар постоянно, но меньше двух часов держать смысла нет — слой получится слишком тонким и сотрётся при первой же шлифовке. Для получения слоя около миллиметра придётся греть деталь в ящике не менее четырёх часов.

После того как деталь прогрелась и выдержала положенное время, встаёт вопрос об охлаждении. Если просто дать контейнеру остыть вместе с печью, то сталь получится мягкой и нужная твёрдость не появится.

Науглероживание лишь изменило химический состав у поверхности, но для фиксации структуры необходима закалка. Поэтому раскалённый ящик открывают, извлекают деталь клещами и быстро переносят в закалочную среду.

Чаще всего используют воду или минеральное масло. Однако при резком охлаждении из таких высоких температур возникает риск коробления или появления трещин. Чтобы этого избежать, некоторые мастера сначала остужают деталь на воздухе до температуры 760–800 градусов (цвета вишнёво-красного свечения) и только потом погружают в жидкость.

Оборудование для нагрева можно соорудить из простого очага с поддувом. Многие используют самодельные горны на основе автомобильного картера или просто обкладывают контейнер кирпичом и подают воздух от пылесоса через трубу.

Важно следить, чтобы угли вокруг контейнера горели равномерно. Иногда для контроля температуры плавят медную проволоку, её температура плавления 1083 градуса, или смотрят на состояние алюминиевой фольги, которая исчезает при 660 градусах.

Но лучше, конечно, обзавестись простым пирометром или термопарой.

Один из практических нюансов связан с положением детали внутри ящика. Нельзя, чтобы она касалась стенок контейнера, так как в местах контакта доступ паров соды и углерода будет затруднён, и слой может получиться неравномерным.

Для фиксации изделия на весу используют проволочные подвески или подкладывают под него крупные куски угля. Также важно, чтобы смесь была сухой, иначе при нагреве вода начнёт испаряться, и это приведёт к окислению поверхности.

Если есть сомнения в качестве угля, его предварительно прокаливают на железном листе, чтобы удалить летучие компоненты.

В качестве насыщающей среды можно использовать не только древесный уголь с содой, но и более сложные составы. В литературе встречаются рецепты с добавлением жёлтой кровяной соли, но она токсична, и в домашних условиях её применять не стоит.

Достаточно активированной смеси на основе карбоната натрия. Важно помнить, что многократное использование одной и той же засыпки снижает её активность, так как сода постепенно улетучивается или реагирует с примесями.

После двух-трёх циклов состав лучше заменить свежим, чтобы не увеличивать время обработки.

Глубину полученного слоя можно приблизительно оценить по излому контрольного образца. Для этого вместе с деталью в ящик закладывают небольшую пластинку из той же стали.

После завершения цикла её ломают, и на краях видна светлая каёмка науглероженного слоя. Чем она шире, тем дольше шёл процесс.

Следует учитывать, что последующая закалка даст максимальную твёрдость именно на этой каёмке, и если её толщина окажется меньше припуска на последующую шлифовку, то твёрдый слой можно просто снять.

При нагреве в угле надо быть готовым к тому, что поверхность после извлечения из контейнера может иметь следы пригоревшей смеси. Это нормально, и после закалки окалина удаляется на наждаке.

Иногда на детали появляются синеватые или серые пятна, что говорит о местном окислении. Причиной обычно служит неплотно закрытая крышка контейнера, из-за чего внутрь проникает кислород.

Стоит тщательнее промазывать щели глиняным раствором или использовать жидкое стекло в смеси с песком.

Подготовка самой смеси требует определённой сноровки. Уголь необходимо раздробить на кусочки размером от пяти до десяти миллиметров.

Если сделать угольную пыль, она спечётся и затруднит доступ газов к поверхности металла. Слишком крупные куски, наоборот, не обеспечат плотного контакта.

Крошку перемешивают с порошком соды, и после засыпки в ящик смесь слегка утрамбовывают, чтобы исключить пустоты, но без фанатизма, чтобы сохранить газопроницаемость.

Что касается временных режимов, то для получения слоя в 0,3–0,5 миллиметра при температуре около 920 градусов обычно хватает трёх часов выдержки. При снижении температуры до 850 градусов скорость диффузии падает примерно вдвое, и для того же результата потребуется не менее шести часов.

Приблизительно рассчитать время можно по формуле, где глубина слоя пропорциональна корню квадратному из времени. То есть для увеличения глубины вдвое нужно увеличить длительность процесса в четыре раза.

На практике редко кто выдерживает больше шести часов в домашних условиях, так как это требует постоянного контроля за горном и расхода топлива.

Для инструмента, который будет испытывать ударные нагрузки, слишком глубокий слой не нужен. Оптимальной считается толщина 0,5–0,7 миллиметра, так как толстый слой может скалываться при ударе.

В случае с деталями, работающими на трение, например, втулками или небольшими осями, наоборот, стремятся получить глубину до одного миллиметра, чтобы обеспечить запас на износ. При этом после закалки рекомендуется низкий отпуск при температуре 160–180 градусов, чтобы снять внутренние напряжения, не снижая твёрдость.

Контроль нагрева в кустарных условиях часто ведут по цветам побежалости, но для температур выше 800 градусов этот метод не работает из-за яркого свечения. Тут приходится ориентироваться на интенсивность излучения и плавление эталонов.

Например, нихромовая проволока начинает оплавляться при температурах около 1100 градусов, и если она остаётся твёрдой, значит, нагрев не превышает допустимые пределы. Медь, как уже говорилось, даёт чёткий ориентир — появление капель на проволоке сигнализирует о достижении 1083 градусов, выше которых подниматься не стоит, так как это вызывает рост зерна и ухудшение свойств стали.

Смесь древесного угля и соды даёт так называемое твёрдое науглероживание. Этот метод самый доступный, но он имеет один недостаток — неравномерность прогрева большого объёма контейнера.

Чтобы компенсировать этот момент, ящик прокручивают вокруг оси или меняют его положение в горне в процессе выдержки. Также важно располагать детали в зоне наиболее стабильной температуры, то есть ближе к центру объёма.

Для мелких изделий можно использовать несколько небольших контейнеров вместо одного крупного.

При извлечении детали из закалочной ванны после охлаждения её следует сразу проверить на твёрдость. Самый простой способ — попытаться обработать напильником.

Если инструмент скользит по поверхности, не снимая стружки, а только оставляя лёгкие следы, значит, закалка прошла успешно. Если же напильник легко врезается в металл, то либо была недостаточная выдержка, либо температура нагрева под закалку была ниже требуемой, либо на поверхности остался обезуглероженный слой из-за неплотной крышки.

Цементация в угле позволяет вернуть к жизни старые детали, например, восстановить изношенные кулачки распределительных валов или сделать рабочие поверхности самодельных ножей более стойкими. Однако для ножей важно помнить, что науглероживанию подвергается вся поверхность, включая обух, который должен оставаться более мягким для упругости.

В таких случаях защищают нерабочие участки глиняной обмазкой или оставляют припуски на механическую обработку, которые потом удаляются вместе с твёрдым слоем.

Глубину слоя можно немного увеличить путём многократного повторения циклов нагрев-охлаждение. После первого насыщения деталь остывает, а затем снова помещается в свежую смесь и повторно греется.

Но каждый дополнительный цикл увеличивает общее время и может привести к росту зерна. Поэтому для разового использования лучше сразу выдержать требуемый интервал.

Некоторые мастера для интенсификации процесса вдувают в горн воздух через поддувало, что поднимает температуру и ускоряет диффузию, но тут легко пережечь тонкие стенки.

Использование древесного угля в качестве топлива и одновременно источника углерода — старый, проверенный способ, известный ещё кузнецам прошлого. В наше время он остаётся актуальным из-за своей дешевизны и доступности материалов.

Берёзовый уголь даёт устойчивый жар и при взаимодействии с содой создаёт на поверхности детали атмосферу, богатую окисью углерода. Именно этот газ и является переносчиком углерода, который осаждается на стали и проникает внутрь.