Как мягкую сталь сделать твердой

Для улучшения свойств металлов нередко используются разнообразные химические и физические методы. Примером является цементация стали — сочетание химико-термического воздействия, в результате которого атомная решетка материала меняется, и он обретает новые качества.

Содержание:

• Что происходит при цементации стали
• Какие свойства обретает сталь
• Металл для цементации
• Основные способы цементации
• В твердой среде
• В газовой среде
• В жидкой среде
• В вакууме
• В графите
• При помощи паст
• В кипящем слое
• В электролитном растворе

Цементация считается высокоэффективным способом серьезно улучшить технические параметры металла и обеспечить ему более широкое применение.

Что происходит при цементации стали

Под цементацией понимают специальный высокотемпературный процесс, в ходе которого происходит насыщение поверхности материала атомарным углеродом. Наряду с другими видами химико-термической обработки (азотирование, цианирование и т. д.), цементация повышает качественные характеристики верхнего слоя металла, в особенности его прочность и устойчивость к разного рода нагрузкам.

Существует несколько способов цементации стали, причем некоторые из них можно использовать даже в домашних условиях. В любом случае происходит диффузное насыщение поверхности атомами углерода при высокой температуре (обычно в пределах +500… 1200 градусов). Без повышения температуры невозможна активация углерода, и он не сможет проникнуть в межкристаллическое пространство стали. Скорость взаимодействия металла и углерода довольно низка: за час последний внедряется не более, чем на 1 мм.

Какие свойства обретает сталь

В процессе цементации металл равномерно разогревается в газовой, твердой или жидкой среде с формированием науглероженного слоя на поверхности. Свойства материала при этом меняются в лучшую сторону. Прежде всего, возрастают прочность и износостойкость. Для примера, у легированной стали твердость не превышает 61 HRC, а у металла даже с малым содержанием углерода — 64 HRC.

Внешне сталь после цементации напоминает материал, который прошел процедуру закаливания, хотя ее эксплуатационные характеристики будут выше. Если на поверхности появляются слишком крупные зерна, проводят повторную термическую обработку при температуре не выше +900 градусов, а затем делают низкотемпературный отпуск.

Металл для цементации

Для цементации обычно используют три разновидности стали:

1. С неупрочняемой сердцевиной (марки 10, 15, 20). Чаще всего изделия из такого металла имеют малый размер и применяются в бытовых целях.
2. Со слабо упрочняемой сердцевиной (марки 15Х, 20Х — низколегированные хромистые стали). Для таких марок, как правило, производят дополнительную обработку ванадием, чтобы получить более пластичный материал.
3. С сильно упрочняемой сердцевиной. Этот металл используется для производства сложных деталей, необычных по форме изделий и крупных объектов, которые выдерживают серьезные нагрузки. Во время цементации вводится никель или марганец.

Основные способы цементации

Разработаны разные способы цементации, которые различаются технологией, применяемым оборудованием и расходными материалами.

В твердой среде

Для работы используют так называемые твердые карбюризаторы — вещества, которые содержат углерод и могут отдавать его другим материалам при высокой температуре. Чаще всего таковыми служат дубовый или березовый уголь, к которым добавляют немного солей угольной кислоты (до 10-12%). Готовую смесь дробят до частиц размером не более 1 см, просеивают для удаления пыли и кладут в термостойкие ящики, после чего помещают туда металлические заготовки. В ряде случаев уголь проливают раствором соли до достижения влажности 6-7%. При «мокрой» методике процесс цементации происходит более равномерно. Далее действуют таким образом:

• емкости с углем и заготовками герметизируют при помощи шамотной глины;
• печь разогревают до +700 градусов, ставят туда ящики, затем повышают температуру до рабочей (около +800…+950 градусов);
• выдерживают изделия под нагревом до достижения науглероженного слоя нужной толщины.

В газовой среде

Данная методика используется только в промышленных условиях при массовой обработке металлов, в том числе — в машиностроении при изготовлении двигателей. Применяются газы природного или искусственного происхождения, в которых содержится большое количество углерода, например, побочные продукты обработки нефти. За счет изменения плотности газов можно уменьшать или увеличивать глубину проникновения углерода в металл.

Полный цикл газовой цементации протекает в специальной шахтной печи, куда заранее помещаются заготовки. Процесс длится довольно долго: для насыщения стали углеродом на 1,2 мм нужно не менее 15-ти часов. Температура газовой смеси составляет +950 градусов. После завершения обработки в той же печи выполняется закаливание (отпуск) металла.

В жидкой среде

Цементация осуществляется в растворе карбонатных солей щелочных металлов, которые заранее плавятся при невысоких температурах. Готовый раствор наливают в герметичную емкость, разогревают состав до +850 градусов и опускают в него металлические изделия. Обычно для насыщения верхнего слоя заготовки углеродом хватает трех часов, поскольку скорость химической реакции в жидкой среде выше. Нужно учесть, что толщина науглероженного слоя при использовании такой методики не превышает 0,5 мм.

В вакууме

Цементация данным способом проводится в особых печах, которые могут создавать вакуум внутри. Заготовки помещаются в печь, выдерживаются в вакууме около часа, после чего внутрь под давлением подается богатый углеродом газ. Последовательно выполняются три стадии обработки изделия вакуумом и газом, а затем оно охлаждается инертными газами. Время подачи газов, давление и скорость прохождения этапов регулируются автоматически.

В графите

В домашних условиях для цементации нередко используется графитовый порошок, который обладает отличной электропроводимостью. Как правило, таким образом закаливают режущие кромки ножей, лопат, садового инструмента. Работу производят следующим образом:

• измельчают в пыль графит (например, полученный от стачивания графитовой щетки электродвигателя или из батарейки);
• с ножа при помощи шкурки удаляют зазубринки;
• кладут порошок на металлическую подложку, подводят к ней плюсовой контакт источника питания на 6-12 В;
• к металлическому предмету присоединяют отрицательный провод, кромку помещают в порошок;
• подают напряжение на трансформатор;
• металлический предмет плавно перемещают под слоем графита (при этом в порошке проскакивают мелкие искры);
• во время работы лезвие не должно касаться подложки, иначе случится короткое замыкание, и электрическая дуга прожжет изделие.

При помощи паст

Для цементации готовят пасту на основе сажи (пыли) древесного угля (55%), кальцинированной соды (30%) и щавелевокислого натрия (15%). Все компоненты перемешивают, разводят водой до получения пасты, которую затем наносят на обрабатываемый предмет и дают высохнуть. Толщина слоя пасты должна быть в 8 раз больше, чем планируемая толщина науглероженного слоя. После изделие прокаливают в индукционной печи при температуре +900…+950 градусов.

В кипящем слое

Для цементации применяют особые установки — печи кипящего слоя. В смеси раскаленных газов получают корунд — сыпучее вещество, имеющее псевдожидкое состояние. В ходе цементации температура распределяется равномерно, поэтому риск деформации заготовки отсутствует. После завершения процесса осуществляется отпуск и шлифование заготовки.

В электролитном растворе

Электролитный раствор должен включать 75-85% соды, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Металлическое изделие погружают в ванну-печь с раствором, который был прогрет до +850…+860 градусов, и подают напряжение в 150-300 В. Спустя 2 часа поверхность металла науглероживается на глубину до 0,4 мм.

Эта методика отлично подходит для небольших изделий и может применяться в домашних условиях. С помощью цементации можно придать металлическим предметам качественно новые свойства, увеличить срок их эксплуатации и повысить эффективность использования.