Цементация металла что это такое
Цементирование стали и цементация металла в домашних условиях
В основе процесса цементации заложен принцип химической и термической обработки металла. Вся суть процедуры в насыщении поверхности стали необходимым количеством углерода при определенных температурных условиях.
Несколько лет назад эту процедуру в домашних условиях было практически невозможно реализовать. Сегодня это возможно с использованием среды графита или их аналогов. Главное — это желание и некоторые знания.
Общая информация о процессе
В первую очередь необходимо понимать основы термической обработки стали.
К особенностям цементации металла относят следующие факторы:
Осуществить цементацию нержавеющий стали немного сложнее, но в то же время это качественно улучшит характеристики этого вида металла.
В какой среде возможна цементация стали
Процесс закалки проходит в различных условиях среды:
Чаще всего в условиях домашнего цеха проводится цементация стали графитом. Это сильно упрощает процесс, так как не нужно дополнительно еще заботиться о сильной герметичности печи.
В промышленном производстве чаще всего используют газ, так как этот способ сокращает время, затраченное на закалку.
Разновидности металла, который можно обрабатывать
Выделяют три основные группы металла, который используется для закалки:
В целом процесс цементации стали необходим для улучшения износостойкости и прочности деталей.
Чаще всего цементации подвергаются валы, оси, лезвия ножей, детали подшипников и зубчатые колеса.
Как происходит цементация стали в твердой среде на предприятии и в условиях домашнего цеха?
Смесь для твердой цементации готовится из бария, кальция с древесным углем и углекислого натрия. Уголь лучше брать из дуба или березы и разделить его небольшие фракции, не более десяти миллиметров. Чтобы удалить лишнюю пыль, уголь рекомендуют просеять. Соли тоже измельчают до состояния порошка и пропускают через сито.
Существует две методики для приготовления смеси:
При этом, первая методика считается более качественной. Так как она гарантирует, что смесь выйдет равномерной, а результат без пятен и разводов. Готовую смесь еще называют карбюризатором.
Сам процесс твердой цементации проходит в специальных ящиках, где насыпана смесь в нужном количестве. Идеально, если ящики соответствуют размеру и форме изделия, которое обрабатывают. Так как в этом случае снижаются затраты времени на прогрев тары, а качество слоя цементации улучшается. Для избежания утечки газа щели замазывают специальной огнеупорной глиной и накрывают все плотно прилегающей крышкой.
Следует обратить внимание, что изготавливать тару, идеально подходящую, экономически выгодно, если речь идет о конвейерной процедуре. Если же нужно одну или две детали закалить, то лучше выбрать тару универсальной формы — квадратную, круглую или прямоугольную.
Ящики выбирают из малоуглеродистой или жаростойкой стали.
Сам процесс цементации в твердой смеси проходит следующим образом:
Именно при таком температурном режиме происходят диффузные изменения в структуре деталей на уровне атомов.
В домашних условиях достаточно сложно нагреть печь до нужной температуры и выдержать весь температурный режим от начала и до конца. При этом все возможно. Следует помнить, что эффективность домашней цементации намного ниже, чем промышленной.
Цементуемые стали с помощью газа
Впервые цементацию стали газом осуществили на Златоусовском комбинате под бдительным руководством П. Аносова. Этот эффективный способ разработали В. Просвирин, С. Ильинский и Н. Минкевич.
Суть процесса достаточно проста — металл цементируется под влиянием углеродсодержащего газа (природного, искусственного или генераторного) в герметически закрытой печи.
Самый доступный и часто используемый газ — это состав, который получают при разложении нефтепродуктов.
Его изготавливают следующим способом:
Смесь из модифицированного газа и чистого пиролизного газа используют для цементации. Необходимость модификации части газа вызвана тем, что от использования чистого пиролизного газа на стали получается недостаточная цементация, а на некоторых деталях может оседать немного сажи, которую сложно удалять.
Сам процесс цементации стали с помощью газа проводят на специальных печах-конвейерах непрерывного действия. Либо используют уникальные стационарные агрегаты.
Сначала в печь, ее муфель, помещают деталь. Установку закрывают и накаляют печь до 950 градусов. Потом подают заранее подготовленный газ.
Провести эту процедуру в домашних условиях практически нереально.
В то же время она имеет несколько преимуществ перед твердым способом обработки:
Самое важное при цементации стали — это грамотно организованный процесс и качественное оборудование и сырье. Твердый способ вполне можно реализовать в домашних условиях при наличии печи, карбюризатора и металлических форм. А также определенных умений и навыков, связанных с этим процессом закалки стали.
Цементация металла
Чтобы на поверхности металла образовался твердый износостойкий слой, прибегают к методу цементации. Завод металлоконструкций ЧЗМК выполняет различные виды обработки стали.
Сущность и назначение процесса цементации
Эта технология еще называется науглероживанием. Классическая цементация металла предполагает обработку при повышенной температуре в среде, богатой углеродами. Изначально это были твердые вещества, но сегодня используют и другие методы. Чтобы закрепить эффект, в конце необходима закалка с низким отпуском.
Цементацию называют эффективным видом химико-термической обработки, а применяют в отношении нескольких видов металла:
К цементации стали прибегают, четко рассчитывая, насколько глубоко необходимо насыщение углеродом. Хотя условно этот слой называют поверхностным, глубина воздействия разнится, в зависимости не только от вида металла, но и от размера изделия. В среднем насыщение углеродом при цементации затрагивает толщину до 0,5 – 2 мм. Однако для очень мелкой и тонкостенной детали границу уменьшают – вплоть до 0,1 – 0,3 мм. При цементации крупного и массивного изделия из металла углерод может проникать и в глубину, превышающую отметку в 2 мм.
Методы цементации металлов и сплавов
Выделяют несколько способов достижения вышеупомянутой цели. В первую очередь для цементации стали необходим карбюризатор. Это углеродосодержащие вещества, которыми и производят обработку металла при высокой температуре. Протекают процессы цементации и твердой, и в жидкой, и в газовой среде. Благодаря современным технологиям метод совершенствуется. И цементация металла теперь выполняется даже в специальных вакуумных печах.
Цементация с использованием твердой среды
Эта технология – одна из древнейших из числа химико-термических обработок металла. Считается, что ее начали использовать еще в 12 веке, если не раньше. Для цементации необходимы два ключевых условия:
В качестве карбюризатора для такого процесса цементации используют несколько видов веществ. Это может быть торфяной кокс либо каменноугольный полукокс. Но к ним добавляют активизаторы. Также возможно применение древесного угля в зернах, поперечник которых составляет в пределах 3.5 – 100 мм.
Процесс цементации начинается в того, что детали помещают в специальный ящик из стали. Важно, чтобы он запирался герметично – традиционно используется песчаный затвор. Важно правильное погружение изделий в карбюризатор – для достижения желаемой цели все стороны металла должны контактировать с углеродосодержащим веществом. Но при этом избегают контакта детали с деталью, как и со стенками ящика.
Выполнив подготовительные работы, переходят непосредственно к цементации. Это значит, что ящик отправляют в печь, где поддерживается высокая температура. Как правило, прогрев достигает 900 – 950 градусов. Ящик с изделиями из металла выдерживают при нужной температуре в течение определенного времени. Сколько именно выполнять цементацию, рассчитывают индивидуально.
Как правило, внутреннее содержимое доходит до нужной температуры за один час. После этого цементацию продолжают из расчета – 1 час на 0,1 мм цементированного слоя. Соответственно, для насыщения углеродом металла на глубину до 1 мм понадобится 10 часов.
Цементацию в твердом карбюризаторе выполняют и в ускоренном темпе. Главное условие этого способа – повышение температуры в печи до 980 градусов. Тогда и скорость насыщения изделий углеродом повышается. Например, проникновение на глубину 1 мм возможно всего за 5 часов. Но ускоренную цементацию при повышенной температуре используют реже. Дело в том, что процесс сопровождается формированием так называемой цементитной сетки. В результате обработка металла становится более длительной и трудозатратной: предстоит многократно пройтись по поверхности изделия, выполняя нормализацию – нагрев до определенной температуры, выдержку и охлаждение.
Процесс цементации в газовой среде
На современных заводах поставленной цели чаще добиваются, используя газовую углеродосодержащую среду. Благодаря новым решениям удается ускорить и упростить процесс. Принципиально он отличается от цементации в твердом карбюризаторе тем, что заготовки не нужно погружать в ящик, распределяя равномерно среди древесного угля или другого вещества. В целом все так же необходимо подержать изделия в печи при высокой температуре.
Цементацию в газовой среде удается выполнить ускоренными темпами благодаря специфике процесса. Ее выбирают для обработки заготовок большими партиями. Процедуру отличают следующие достоинства:
Цементацию в газовой среде фактически совмещают с последующими этапами обработки изделий. Например, закалка осуществляется из цементационной печи.
Проведение цементации в жидкой среде
Этот способ предполагает использование специальной соляной ванны. В ее составе преобладает карбонат натрия – до 85%. К нему добавляют карбид кремния. Для поддержания процесса насыщения изделия углеродом температура поддерживается в пределах 880-900 градусов. Как правило, за полчаса удается пройти слой толщиной до 0,15 – 0,2 мм.
Процесс цементации в таком случае предполагает, что ванну приходится освежать каждые три часа. Для этого в массу вводят 0,5% карбида кремния. Еще понадобится введение углекислого натрия.
Недостаток способа заключается в том, что каждые полтора месяца такая ванна нуждается в полной замене. Кроме того, цементацию в жидкой среде нецелесообразно осуществлять, когда необходимо выполнить насыщение углеродом на глубину больше 0,2 мм. Преимущественно к ваннам прибегают, когда необходимо обработать презентационные либо тонкостенные изделия.
Цементация в вакууме
Температура в оборудовании нагнетается до 980 – 1050 градусов. Давление колеблется от 7 до 55 пПа. Немаловажно, что газ постоянно циркулирует в печи, выполняя цементацию.
Для данного способа химико-термической обработки необходимо высокотехнологичное механизированное и автоматизированное оборудование. Поскольку оно должно неизменно удерживать давление и температуру на заданном уровне, параллельно осуществляя циркуляцию газа. Зато результат процесса превосходит все ожидания: детали выходят из печи светлыми, с чистыми поверхностями. Изделия не деформируются и не коробятся. Вакуумную цементацию выбирают, чтобы свести к минимуму потребность в окончательной доводке.
Способы цементации пастами
Вместо твердого карбюризатора, используют специальные пасты, чтобы ускорить и упростить задачу. Это масса, в которую входит древесно-угольная пыль и сажа, углекислый натрий и желтая кровяная соль. Еще в состав включают декстрин. Чтобы выполнить цементацию, необходимо развести смесь до консистенции, напоминающей густую сметану. Для этого используют раствор канцелярского клея в воде или керосине.
Детали погружают прямо в массу, но возможно нанесение состава кисточкой. Чтобы произошло насыщение поверхностного слоя углеводородом на глубину до 1 – 1,5 мм, понадобится покрытие пастой толщиной до 3-4 мм. Изделия располагают в цементационном ящике, который отправляют в печь. Там поддерживается температура в пределах 920 – 930 градусов.
В электролитическом растворе
Для повышения прочности металла и отвердения поверхностного слоя изделия погружают в многокомпонентные растворы электролитов. Способ называют скоростным, используется он применительно к небольшим деталям.
В данном случае температуру выставляют в пределах 450 – 1050 градусов. Поскольку это электрохимико-термическая обработка, используется постоянное напряжение от 150 до 300 В. Чтобы поддерживать температуру в нужных границах, анод от электролита отделен при помощи специальной парогазовой оболочки. Достижению цели способствует введение в электролит так называемых веществ-доноров. К ним относят сахарозу и глицерин, ацетон и этиленгликоль.
Можно ли цементировать сталь в домашних условиях
Поскольку для успешного процесса необходимо создать весьма специфические условия, включая крайне высокие температуры, дома практически невозможно выполнить насыщение металлических заготовок углеродом. Кроме того, важен профессиональный подход, чтобы добиться четко поставленной цели, не испортив изделия, а придав металлу желаемые характеристики.
Свойства металла после обработки
Ключевое отличие такого метода химико-термической обработки – в его результате. Благодаря цементации металла в результате насыщения поверхности углеродом при высокой температуре наружный слой получается крайне твердый и прочный. Сердцевина изделия при этом остается сравнительно вязкой. С таким сочетанием характеристик металлы обретают повышенную стойкость к контактным нагрузкам. После цементации твёрдая поверхность защищает вязкую сердцевину от деформации. На Череповецком заводе металлоконструкций есть все необходимое оборудование для химико-термической обработки, а высокая компетенция сотрудников служит гарантией достижения цели.
Все о цементации металла на примере стали
Цементация, осуществляемая в различных средах и исключительно под воздействием высоких температур, является очень распространенным методом химико-термической обработки металла, успешно применяемым уже не один десяток лет.
Подготовка деталей для цементации
Сущность процесса цементации
Смысл любых методов химико-термической обработки металлов, к числу которых относится и цементация стали, заключается в том, что изделие нагревают до высокой температуры в специальной среде (жидкой, твердой или газообразной). Такое воздействие приводит к тому, что меняется химический состав металла – поверхность обрабатываемого изделия насыщается углеродом, в итоге становится более твердой и износостойкой. Что важно, сердцевина обработанных деталей остается вязкой.
Добиться желаемого эффекта после такого воздействия на металл можно лишь в том случае, если обработке подвергают низкоуглеродистые стали, в составе которых углерода содержится не более 0,2%. Для того чтобы выполнить цементацию, изделие нагревают до температуры 850–950 градусов Цельсия, а состав среды подбирают таким образом, чтобы она при нагреве выделяла активный углерод.
Если цементацию стали проводить квалифицированно, можно не только изменить химический состав металлического изделия, но также преобразовать его микроструктуру и даже фазовый состав. В результате удается значительно упрочнить поверхностный слой детали, придать ему характеристики, сходные со свойствами закаленной стали. Для того чтобы добиться таких результатов, необходимо правильно подобрать параметры химико-термической обработки металла – температуру нагрева и время выдержки обрабатываемого изделия в специальной среде.
Оборудование для вакуумной цементации стали
Данная технологическая операция является достаточно продолжительной по времени, так как процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом проходит очень медленно (0,1 мм за 60 минут). Учитывая тот факт, что упрочненный поверхностный слой для большинства изделий должен составлять не менее 0,8 мм, можно рассчитать, что на выполнение цементации металла необходимо будет затратить не менее 8 часов. Основными типами сред для выполнения цементации металла (или, как их правильно называют, карбюризаторами) являются:
Наиболее распространенными являются газообразные и твердые карбюризаторы.
Зависимость толщины цементованного слоя от времени и температуры обработки
Проведение цементации стали в твердой среде
Чаще всего для выполнения цементации металла в твердой среде используется смесь, состоящая из углекислого натрия, бария или кальция и березового или дубового древесного угля (70–90%). Перед этим все компоненты такой смеси измельчаются до фракции 3–10 мм и просеиваются, что необходимо для удаления слишком мелких частиц и пыли.
После того, как компоненты смеси для химико-термической обработки металла подготовлены, их можно смешать несколькими способами.
Следует отметить, что второй способ предпочтительнее, так как позволяет получить смесь с более равномерным составом.
Как в производственных, так и в домашних условиях цементация изделий из стали выполняется в ящиках, в которые засыпан карбюризатор. Чтобы улучшить качество поверхностного слоя обрабатываемого металла, а также сократить время, идущее на прогрев ящиков, лучше всего изготавливать их максимально приближенными к размерам и формам деталей.
Оптимальные условия для протекания цементации стали можно создать, исключив утечку газов, образующихся в карбюризаторе в процессе нагрева. Для этого ящики, у которых должны быть плотно закрывающиеся крышки, тщательно обмазывают огнеупорной глиной перед помещением в печь.
Естественно, использовать специально изготовленные ящики целесообразно лишь в промышленных условиях. Для цементации металла в домашних условиях применяют ящики стандартных размеров и формы (квадратные, прямоугольные, круглые), подбирая их в зависимости от количества обрабатываемых деталей и внутренних размеров печи.
Оптимальным материалом для таких ящиков является жаростойкая сталь, но может быть использована и тара из малоуглеродистых сплавов. Технологический процесс цементации изделий из металла выглядит следующим образом.
Наглядное изображение изменения структуры после цементации
Высокая температура и специальная среда, в которой находится металл, способствуют тому, что происходит диффузия атомов активного углерода в кристаллическую решетку стали. Следует отметить, что выполнение цементации стали возможно в домашних условиях, но часто не позволяет добиться желаемого эффекта. Объясняется это тем, что для процесса цементации необходима длительная выдержка детали при высокой температуре. Как правило, это трудно обеспечить в домашних условиях.
Цементация деталей в газовой среде
Авторами данной технологии являются С. Ильинский, Н. Минкевич и В. Просвирин, которые под руководством П. Аносова впервые использовали ее на комбинате в г. Златоусте. Суть данной технологии заключается в том, что обрабатываемые детали из металла нагреваются в среде углеродосодержащих газов, которые могут быть искусственного или природного происхождения. Чаще всего используется газ, который образуется при разложении продуктов нефтепереработки. Такой газ получают следующим способом:
Полученная смесь и используется для выполнения химико-термической обработки стали.
Процесс цементации стали
Если цементацию стали провести с применением только пиролизного газа, без добавления крекированного, то глубина науглероженного слоя будет недостаточной. Кроме того, в таком случае на поверхности обрабатываемой детали осядет большой слой сажи, на удаление которого может уйти много времени и сил.
Печи, которые используются для выполнения газовой цементации металла, должны герметично закрываться. На современных производственных предприятиях применяют два основных типа таких печей: методические и стационарные. Сам процесс цементации в газовой среде выглядит следующим образом. Обрабатываемые детали помещают в печь, температуру в которой доводят до 950 градусов Цельсия. В нагретую печь подают газ и выдерживают в нем детали определенное время.
По сравнению с цементацией стали с использованием твердого карбюризатора, данная технология имеет ряд весомых преимуществ:
Цементация стали в домашних условиях
В каких еще средах может проводиться цементация стали
Отдельные сорта углеродистых, низкоуглеродистых и легированных сталей, в частности 15, 20, 20ХГНР, 20Х, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20Г, 12ХН3А и др., могут проходить цементацию в других средах.
В такой среде можно науглероживать только детали, отличающиеся небольшими размерами. Основывается данный метод на анодном эффекте, благодаря которому и происходит насыщение поверхности металла углеродом, содержащимся в растворе электролита. Для того чтобы раствор содержал достаточное количество активного углерода, в него добавляют глицерин, ацетон, сахарозу и другие вещества. Перед тем, как поместить деталь из стали в раствор, его нагревают до температуры 450–1050 градусов Цельсия (в зависимости от обрабатываемого металла и размеров детали). Для разогрева раствора используют электрический ток с напряжением 150–300 В.
Цементацию стали по данной технологии проводят в среде раскаленного газового потока, формируемого при прохождении метана и эндогаза через слой нагретого мелкоизмельченного (0,05–0,2 мм) корунда.
Для науглероживания поверхности металла по данной технологии используются специальные пасты, состоящие из желтой соли, древесной пыли и сажи. Перед обработкой деталь обмазывают такой пастой и просушивают, а только затем нагревают до температуры 910–1050 градусов Цельсия при помощи токов высокой частоты.
По какой бы технологии ни была выполнена цементация стали, после ее окончания рекомендуется провести отпуск металла.
Цементация стали в домашних условиях
Определенное воздействие на сталь позволяет изменить ее основные эксплуатационные свойства. Чаще всего проводится химико-термическое воздействие, которое называют цементацией стали. Она предусматривает как нагрев детали для перестроения его атомной решетки, так и внесение требуемых химических элементов. Цементация стали в домашних условиях графитом или другой средой еще несколько лет назад практически не проводилась, но сегодня это возможно. Рассмотрим особенности данного процесса подробнее.
Общие сведения о процессе цементации стали
Для того чтобы проводить подобную обработку металла в домашних условиях следует рассмотреть особенности термического воздействия на сталь подробнее.
Среди особенностей цементации выделим следующие моменты:
Цементация нержавеющей или другой стали более сложный процесс, в сравнении с закалкой, но позволяет достигнуть более высоких эксплуатационных качеств.
Классификация среды, в которой проходит цементация стали
Науглероживание ножа или другого изделия может проходить в следующих средах:
Цементация металла в домашних условиях графитом проводится чаще всего. Наибольшее распространение получила твердая среда по причине того, что не нужно обеспечивать высокую герметичность печи.
Газ применяется преимущественно в промышленном производстве, так как позволяет достигнуть требуемых результатов за минимальный период.
Процесс цементации стали своими руками
При наладке процесса химико-термической обработки в домашних условиях выбирают метод цементации в твердой среде. Это связано с существенным упрощение задачи по оборудованию помещения. Как правило, твердый карбюризатор делается при использовании смеси бария или кальция с древесным углем, а также углекислого натрия. Соль измельчается до состояния порошка, после чего пропускается через сито.
Цементация стали в твердом карбюризаторе
Рекомендации по созданию твердой смеси следующие:
Для ножа и других изделий больше всего подходит второй метод получения карбюризатора, так как он позволяет получить равномерную смесь. Цементация стали в домашних условиях графитом также предусматривает создание смеси при применении нескольких технологий.
Цементация проводится в специальных ящиках, которые наполнены подготовленным карбюризаторов. Конструкция должна быть герметичной, для чего проводится заделывание щелей глиной. Достигать высокой герметичности рекомендуется по причине того, что при нагревании карбюризатора выделяются газы, которые не должны попасть в окружающую среду. Сам ящик следует изготавливать из жаропрочной стали, которая выдержит воздействие высокой температуры.
Процесс по проведению цементации стали в ящике в домашних условиях имеет следующие особенности:
Цементация стали в ящике в домашних условиях
Сегодня есть возможность провести подобную процедуру и в домашних условиях, но возникают трудности с достижением требуемой температуры.
Отсутствие необходимого оборудования приводит к существенному снижению качества получаемых изделий, а также увеличения времени выдержки.
Применение газа
В массовом производстве используется газовая среда. Проводить насыщение поверхности углеродом можно только при использовании герметичной печи. Наиболее распространенным составом газовой среды можно назвать вещества, получаемые при разложении нефтепродуктов.
Газовая цементация стали
Процедура имеет следующие особенности:
Преимуществ у подобной технологии довольно много:
Однако есть существенный недостаток, который заключается в отсутствии возможности установки оборудования и налаживания процесса в домашних условиях. Рентабельность цементации в домашних условиях при установке подобного оборудования обеспечивается только при существенном увеличении обрабатываемых партий.