Цементация стали в домашних условиях

Цементация металла – виды цементации стали и нюансы процесса

Цементация стали в домашних условиях

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.

Общие сведения

В старину топоры из сырого железа помещали в герметичный глиняный горшок, наполненный углем, и ставили в печь на несколько суток. Внешние слои насыщались углеродом под действием жара. Инструмент получал твердую поверхность, сохраняя мягкую, пластичную сердцевину. Сущность технологии сохранилась, прием получил развитие, стал распространенным и разделился на несколько ветвей.

Метод цементации описывается как способ обработки металла с использованием высоких температур в среде определенных химических веществ (химико-термическая обработка); среда может быть жидкой, газовой или твёрдой. Химические компоненты при нагревании выделяют свободный углерод. Поверхность нагретого металла поглощает атомы газа, меняя свою структуру (происходит диффузное насыщение на глубину от 0,5 до 2 мм).

Цементации подвергают детали, работающие на истирание, испытывающие при работе вибрацию и удары. Назначение такой термообработки в том, чтобы изменить (усилить) некоторые характеристики поверхностного слоя металлического изделия:

  1. Слой укрепляется, улучшаются такие его свойства, как твердость и износостойкость; при этом более глубокие слои сохраняют свои первоначальные свойства (вязкость и упругость). Поверхность хорошо сопротивляется истиранию, сердцевина способна выдерживать динамические нагрузки.
  2. После обработки предмет приобретает твердость, аналогичную с полученной по методу классической закалки (огнем и механическим воздействием).

Выделяют следующие особенности метода:

  • При организации процесса цементации важно выдерживать временные и температурные интервалы. Оптимальная плотность атомарного углерода появляется при поддержании температуры от 850 до 950°C.
  • Диффузное насыщение идет с малой скоростью; в этом заключается его особенность. Поглощение поверхностью атомов газа течет со скоростью 0,1 мм/час (значение может немного меняться в зависимости от среды и температуры). Учитывая, что ожидаемая толщина слоя начинается от 0,8 мм, нетрудно подсчитать, что полезные свойства деталь приобретет минимум через 8 часов.
  • Метод признан эффективным для легированных (инструментальных) и низкоуглеродистых сталей, где доля углерода в составе ограничена 0,2-0,25%, и они способны поглотить дополнительное количество атомов газа. Допускаются машиностроительные, строительные и арматурные стали марок 20х, 40х. Углеродистые стали таким способом не обрабатываются.
  • Технология цементации допускает использование нескольких сред. Разработаны приемы закалки в присутствии твердого и газового карбюризатора (углеродистого вещества, способного делиться углеродом). Поверхностное науглероживание возможно в кипящем слое, в растворах электролитов и в пастах.

Самыми распространенными в циклах производства являются газовые и твёрдые карбюризаторы.

Разновидности

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

  • С неупрочняемой сердцевиной. В данную группу входят такие марки цементируемых сталей углеродистых, 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 низколегированные стали 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.
Читайте также  Как сделать гидро пресс в домашних условиях?

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.

Газовая цементация

В машиностроении распространена технология насыщения верхнего слоя стальных изделий углеродом в атмосфере углеродосодержащих газов. Известно, что такое производство удобно для массовой обработки деталей, так как:

  1. Допускается регулирование плотности газов; тем самым формируется углеродистый слой с заданными свойствами.
  2. Полный цикл термообработки (цементация, закалка, промывка и отпуск) проходит в одном месте — в шахтной (цементационной) печи.
  3. Процесс экономичен, механизирован и автоматизирован.
  4. Коробы с карбюризатором не нуждаются в прогреве, что сокращает время протекания цементации.
  5. Скорость науглероживания деталей возрастает в 2 – 3 раза (сравнивая с другими методами), однородность слоя выше.
  6. Температуру газовой смеси углеводородов (метан и окись углерода), доводят до 900-950°С.
  7. После цементации технологическую цепочку завершает отпуск (закаливание).

В твердом карбюризаторе (твердая)

В качестве среды-донора углерода используют древесный уголь; как вариант — торфяной кокс, каменноугольный полукокс. Смесь дополняют активизаторами (углекислый натрий, барий или кальций).

Для качественного насыщения уголь измельчают до частиц размером 3-10 мм, а затем просеивают, чтобы избавиться от пыли. Активизаторы также измельчают и просеивают, стремясь придать солям вид мелкого порошка.

Процесс цементации стали проходит в несколько этапов:

  • Предметы, очищенные от эмульсии и масла, загружают в ящик из стали, с карбюризатором, который должен полностью их покрывать. Нельзя допустить их касания стенок ящика и друг друга.
  • Емкость помещается в печь. Ее герметичность обеспечивается притертой крышкой, глиной или песчаным затвором.
  • Начав с предварительного прогрева, температуру повышают до технологических 900-950°C.
  • Возможен ускоренный вариант (при 980°C), сокращающий время насыщения в 2 раза, но вызывающий образование карбидной сетки (возникающей из-за слишком высокого углеродного насыщения). Для ее устранения и исправления структуры проводят дополнительную многоэтапную обработку (нормализацию).

Цементация стали в домашних условиях организовывается в твердой среде или с использованием графита. Оба варианта доступны и не требуют специальных познаний. Обустройство помещения для первого способа максимально упрощается, поскольку печь не нуждается в обеспечении высокой герметичности.

Это условие вполне достижимо в домашней мастерской. Несмотря на очевидные преимущества, у метода есть и недостатки: трудоемкость и низкая производительность.

Перед обжигом готовится твердая смесь (карбюризатор). Она состоит из смеси древесного угля с углекислыми солями бария, натрия или кальция. Соли предварительно измельчают до порошкообразного состояния, а затем просеивают, чтобы добиться однородности. Доля древесного угля в смеси — 70-90%, остальное приходится на соли.

Смесь создается одним из двух способов:

Источник: https://instanko.ru/drugoe/cementaciya-stali.html

Цементация стали в домашних условиях

Цементация стали в домашних условиях

Важным способом улучшения эксплуатационных свойств стали является химико-термическая обработка (ХТО), которая предполагает воздействие на заготовку реагента при повышенной температуре.

В холодном состоянии сталь характеризуется низкой химической активностью, даже образование ржавчины протекает достаточно медленно. Чтобы увеличить скорость реакции, сталь нагревают до высокой температуры.

Читайте также  Выжигание на коже в домашних условиях

Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на 10° приводит к увеличению скорости химической реакции вдвое. Высокие температуры позволяют выполнить обработку стали за допустимое время для промышленного производства.

Выбор способа обработки ведется в зависимости от химического состава стали

В процессе обработки заготовка находится в среде химически активного вещества. Оно формирует на поверхности заготовки слой с особыми свойствами, отличающимися от основной части. В большинстве случаев ХТО позволяет улучшить механические свойства материала, его прочность, твердость и стойкость к износу.

Самыми популярными процессами ХТО выступают цементация, предполагающая насыщение углеродом, и азотирование, в котором ведется обработка азотом. Также высокой эффективностью обладает нитроцементация, которая совмещает азотирование и цементацию. Обработка другими элементами встречается редко. Выбор способа обработки ведется в зависимости от химического состава стали, от содержания углерода и легирующих веществ.

ХТО является одной из завершающих операций в технологическом цикле производства стальных деталей. Она выполняется после формоизменяющих операций, обработки давлением и резанием.

В результате ХТО деталь приобретает увеличенную прочность поверхностного слоя, и обработать такую деталь становится гораздо сложнее.

ХТО выполняется таким образом, чтобы коробление поверхности было минимальным и не требовалось выравнивать поверхность, срезая верхний слой. После ХТО производится только шлифовка поверхности.

Цементация стальных изделий

Стали, подвергаемые цементации, можно разделить на три группы по химическому составу:

Конструкционные стали, нелегированные или низколегированные: 15, 18, 20, 20Х, 20ХФ, 20ХМ, 18ХГ, 20ХН. Эти стали имеют низкую стоимость, но их невозможно закалить обычным способом из-за недостаточного содержания углерода, поэтому насыщение поверхности – простой способ увеличения их прочности.

Стали, легированные титаном 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХНТ, 20ХГНТР. В них образуется особо прочное соединение – карбид титана.

Высоколегированные конструкционные стали: 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА. Из них изготавливают наиболее прочные и ответственные детали.

Разработка технологии цементации зависит от группы, к которой относится сталь. Чтобы получить высокую твердость поверхности, от 58 HRC и выше, обработанную деталь подвергают закалке с последующим низким отпуском.

Таким образом, сердцевина детали остается «мягкой» и вязкой, с твердость 35-40 HRC при высокой твердости поверхности.

Благодаря этому обработанная деталь может использоваться при изгибающих нагрузках, которые опасны для хрупких изделий.

Способы выполнения цементации

Наибольшей популярностью пользуется газовая цементация. Она выполняется в печах шахтного типа, то есть установках, где обрабатываемые детали располагаются ниже уровня пола.

Такая конструкция связана с несколькими особенностями процесса. Во-первых, так проще обеспечить печи герметичность. Вторая причина – газы, воздействующие на металл, имеют большую плотность, чем у воздуха.

Газовая цементация используется на заводах, массово производящие упрочненные детали.

Температура при газовой цементации составляет 920-950 °С. Длительность обработки зависит от требуемой глубины цементированного слоя. Средняя скорость диффузионного распространения углерода 0,15 – 0,18 мм/ч. Обычно требуется упрочненный слой толщиной 0,8 – 1,5 мм, то есть продолжительность процесса может достигать 10 часов.

углерода после обработки в поверхностном слое доходит до одного процента. Процесс цементации и последующее термическая обработка могут выполняться тремя различными режимами в зависимости от степени ответственности деталей.

Неответственные детали обрабатывают за 2 нагрева, детали с повышенными требованиями – за 3, а с особенно высокими требованиями – за 4, применяя двойную закалку.

В мелкосерийном производстве достаточно популярен способ цементации при помощи твердого активного вещества, в состав которого входит древесный уголь и кокс, а также катализаторы процесса. Для обработки деталь помещается в стальную емкость. Несколько деталей размещаются таким образом, чтобы не касались друг друга или емкости.

Статья носит ознакомительный характер.
Не забывайте консультироваться со специалистами.

Источник: https://samara-metall.ru/articles/cementacija-stali

Цементация стали — технологический процесс и его описание. Цементация стали в домашних условиях

Образование 24 марта 2014

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

Читайте также  Как загнуть лист железа в домашних условиях?

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 сталей углеродистых, 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 низколегированные стали 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:

— зубчатых колес;

— «пальцев»;

— валов;

— осей;

— 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.

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 предельных углеводородов, 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.

Источник: https://astra-nl.com/tsementatsiya-stali-v-domashnih-usloviyah/