Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900...950°С - твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850...900°С - газообразным (газовая цементация ) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Детали, предназначенные для цементации , сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

1-ый состав простейшей обмазки: огнеупорная глина с добавлением 10% асбестового порошка, вода. Смесь разводят до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. После высыхания обмазки можно производить дальнейшую цементацию изделия.

2-ой состав применяемой обмазки: каолин - 25%, тальк - 50%: вода - 25%. Разводят эту смесь жидким стеклом или силикатным клеем.

Цементацию делают после полного высыхания обмазки.

Вещества, которые входят в состав обмазки, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.

В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа - 55%, кальцинированная сода - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода - 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.

Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.

Азотирование стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до б00...650°С в атмосфере аммиака NН 3 . Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с железом, алюминием, хромом и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды). Азотированные стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар.

Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цементованных, до сравнительно высоких температур (500...520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации . Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров.

Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840..860°С - нитроцианирование, в жидкой среде - при температуре 820...950°С - жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.

Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.

Борирование стали - химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900...950°С. Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе 2 В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) бурового и штампового инструментов.

Цинкование (Zn), алюминирование (Аl), хромирование (Сr), силицирование (Si) сталей выполняются аналогично цементации с целью придания изделиям из стали некоторых ценных свойств: жаростойкости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения.

Химико-термическая обработка стали. Такая обработка изменяет не только структуру металла, но и химический состав его верхнего слоя. Благодаря этому деталь может иметь вязкую сердцевину, которая выдерживает ударные нагрузки, высокую твердость и износостойкость снаружи.
Существует несколько способов химико-термической обработки стали, однако в условиях небольшой мастерской можно осуществить только цементацию. Цементация - это поверхностное науглероживание стали. Чаще всего цементации подвергают изделия из малоуглеродистых сталей с содержанием углерода не выше 0,2 %, а также из некоторых легированных сталей. Детали, предназначенные для цементации, предварительно очищают, а поверхности, не подлежащие науглероживанию, покрывают предохранительными веществами, именуемыми противоцементационными обмазками. Простейшая обмазка - это огнестойкая глина с добавкой 10 % асбестового порошка. Эту смесь замешивают на воде до консистенции густой сметаны и наносят на нужные участки поверхности изделия. Дальнейшую цементацию изделия можно производить после высыхания обмазки. Удобна в использовании и такая обмазка: каолин (25 %), тальк (50 %), вода (25 %). Эту обмазку разводят до нужной консистенции жидким стеклом или силикатным клеем. Последующую цементацию делают после полного высыхания обмазки.
Вещества, при помощи которых производят цементацию, называют карбюризаторами. Они бывают твердые, жидкие и газообразные.
Цементация в твердом карбюризаторе. В условиях домашней мастерской целесообразно производить цементацию при помощи пасты, состоящей из смеси сажи (55 %), кальцинированной соды (30 %) и щавелевокислого натрия (15 %), размешанных в воде до консистенции сметаны. Пасту наносят на изделие, дают ей подсохнуть, а затем помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 ч. Цементация при помощи пасты обеспечивает толщину науглеро-женного слоя 0,7-0,8 мм.

Цементация в твердом карбюризаторе. В условиях домашней мастерской целесообразно производить цементацию при помощи пасты, состоящей из смеси сажи (55 %), кальцинированной соды (30 %) и щавелевокислого натрия (15 %), размешанных в воде до консистенции сметаны. Пасту наносят на изделие, дают ей подсохнуть, а затем помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 ч. Цементация при помощи пасты обеспечивает толщину науглеро-женного слоя 0,7-0,8 мм.
Жидкостную цементацию используют для науглеро живания инструментов и других изделий путем погружения их в печь-ванну, содержащую 75-85 % соды, 10-15 % хлористого натрия и 6-10 % карбида кремния. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 ч; глубина науглероженного слоя достигает 0,3-0,4 мм.
Газовую цементацию осуществляют в производственных условиях в смеси раскаленных газов, содержащих метан и окись углерода, в специальных камерах при температуре 900-950°С. Процесс протекает быстро и весьма экономично по сравнению с цементацией в твердых и жидких карбюризаторах.
После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при температуре 760-780°С с последующим охлаждением в масле.

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:

Благодаря процедуре цементируемые стали становятся прочнее, что повышает износостойкость и прочность материала;
Свойства эксплуатации металла изменяются за счет нагрева изделий в жидкости, газовой или твердой среде, что улучшает ее характеристики;
Нагревание деталей можно до разных температур, нет ограниченной константы и точных рекомендаций. В домашних условиях процесс цементации проходит при температуре 500 градусов по Цельсию. В промышленных условиях с использованием профессионального оборудования температура нагрева в печи достигает более 1300 градусов по Цельсию. Следует знать, что температуру выбирают, учитывая концентрацию примесей и углерода.
Профессионалы рекомендуют в домашних условиях цементировать низкоуглеродистые виды стали (приблизительно 0,2%). Например, лезвие от недорогого кухонного ножа, изготовленного из стали или небольшие детали.
В структуру стали углерод проникает довольно медленно. Поэтому цементация лезвия ножа в условиях домашней процедуры происходит со скоростью не более 0,1 мл в час. Чтобы это же лезвие выдерживало более сильные нагрузки, нужно усиливать слой толщиной до 0,8 мл в час. Еще важно понимать, что цементация ножа или небольшого вала в условиях домашнего цеха займет минимум восемь часов . При этом следует удерживать определенную температуру в печи, чтобы не нарушить температурный режим.
В процессе цементации изменяется не только свойство металла, но и его фазовый состав и атомная решетка. В целом поверхность получает такие же характеристики, как и при закалке, но при этом существует возможность контроля в узком диапазоне температур, чтобы избежать различных дефектов материала.

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:

в твердой;
в газообразной;
в растворе электролита;
в виде специальной пасты;
в кипящем слое.

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:

Сталь с неупрочняемой сердцевиной. В эту группу входят следующие марки стали, пригодной для цементирования - 20, 15 и 10. Эти детали имеют небольшой размер, используются для эксплуатации в бытовых условиях. Во время закалки происходит трансформация аустенита в феррито-перлитную смесь.
Сталь со слабо упрочняемой сердцевиной. В эту группу вошли металлы таких марок, как 20Х, 15Х (хромистые низколегированные стали). В этом случае проводят дополнительную процедуру лигирования с помощью небольших доз ванадия. Это обеспечивает получение мелкого зерна, что приводит к получению более вязкого и пластичного металла.
Сталь с сильно упрочняемой сердцевиной. Этот вид металла используют для изготовления деталей со сложной конфигурацией или большим сечением, которые выдерживают различные ударные нагрузки, подвергаются воздействию переменного тока. В процессе закалки вводится никель или при его дефиците используют марганец, при этом для дробления зерна добавляют малые дозы титана или ванадия.

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:

Уголь из дерева поливают солью, которую предварительно растворяют в воде. Получившуюся смесь высушивают, ее влажность должна быть не более 7%.
Сухой уголь и соль тщательно перемешивают, чтобы исключить возможность появления пятен уже в процессе химической и термической обработки.

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:

детали, которые необходимо закалить, равномерно укладываются в ящики, наполненные твердым карбюризатором;
печь разогревают до 900−1000 градусов и подают в нее тару с изделиями;
прогрев ящиков проходит при температуре от 500 до 700 градусов. Этот прогрев называют сквозным. Сигналом, что печь накалилась до нужной температуры служит однородный цвет подовой плиты, на ней больше нет темных участков под ящиками;
температуру поднимают до 900 или 1000 градусов по Цельсию.

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:

в специальную емкость из стали наливают керосин, нагревают до процесса пиролиза - разложения керосина на смесь из нескольких газов;
примерно 60% этого газа модифицируют и делают подходящим для цементации.

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:

меньше времени затрачивается на подготовку сырья для цементации;
более благоприятные и безопасные условия для труда рабочих;
ускорение процесса закалки за счет сокращения времени на выдержку изделий.

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 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.

Цементация металла – одна из разновидностей химико-термической обработки поверхностей наряду с азотированием, цианированием и алитированием. Сущность и ее назначение заключаются в диффузионном насыщении поверхности заготовки атомами углерода. В результате повышаются следующие характеристики:

твердость;
прочность;
стойкость к механическим воздействиям.

Температуру цементации выбирают исходя из требуемой степени науглероживания заготовки. Она находится в диапазоне от 800 до 950 °C. Технологию применяют для обработки низкоуглеродистой или легированной стали. Это связано с тем, что внутренняя часть детали должна оставаться вязкой после закалки. Глубина насыщенного слоя может достигать 2,5 мм в зависимости от интенсивности воздействия.

Высокая температура необходима для активизации углерода, который играет ключевую роль в цементации. В этом случае он легко проникает в межкристаллическое пространство стали и усваивается там.

Технология отличается низкой скоростью взаимодействия стали с углеродом. Для получения слоя толщиной 0,1 мм требуется в среднем один час. Примечательно, что процесс имеет прямую зависимость: глубина цементации не влияет на время обработки.

Методы цементации металлов и сплавов

За долгую историю было разработано несколько способов. Современные технологии позволяют проводить процессы цементации в следующих условиях:

твердая среда;
газовая среда;
жидкая среда;
вакуум;
с применением специальной пасты;
цементация в электролите.

Вышеперечисленные методы отличаются технологией и глубиной насыщения. Рассмотрим их подробнее.

Цементация с использованием твердой среды

Для цементации стали по данной технологии используют специальные углеродсодержащие вещества, которые называются карбюризаторами.

Карбюризаторы способны отдавать углерод материалам, расположенным по соседству. Для этого необходима высокая температура.

Наибольшей популярностью пользуются следующие карбюризаторы:

березовый древесный уголь;
дубовый древесный уголь.

Иногда применяют их смесь. Для работы уголь дробится на фракции, размер которых не должен превышать 10 мм. После этого он смешивается с солью угольной кислоты из любого металла щелочной группы. Массовая доля угля в составе, как правило, достигает 88–90%. Перед применением смесь просеивают с целью удаления наиболее мелких фракций вроде пыли и крошек.

Существуют два способа приготовления рабочего состава:

Сухой. В этом случае соль и уголь тщательно перемешивают. В противном случае результат будет некачественным: на поверхности будут видны необработанные участки стали.
Мокрый. Уголь поливают водным соляным раствором, после чего высушивают. Уровень влажности рабочей смеси не должен превышать 6–7%.

Последний способ считают наиболее эффективным для качественной модификации стали.

Процесс насыщения поверхности углеродом выглядит следующим образом:

Рабочую смесь насыпают в ящики, изготовленные из термостойкого материала. Форма и размеры зависят от типа обрабатываемых деталей.
Объекты для цементации помещают в ящик. Угольная смесь должна быть равномерно распределена по внутренней поверхности.
Во избежание утечек производят герметизацию емкости, обрабатывая закладную часть шамотной глиной.
Ящик помещают в печь, которую прогревают до 700 °C.
На данном этапе осуществляют визуальный контроль процесса: все нагреваемые элементы должны иметь ровный цвет без темных пятен на поверхности.
Температуру в печи повышают до рабочего уровня: 800–950 °C. Начинается процесс активного освобождения углерода и его проникновения в межкристаллическую решетку стали.
Время обработки зависит от требуемой глубины цементации стали.

Процесс цементации в газовой среде

Данная технология обработки стали применяется на крупных предприятиях при массовом производстве. При этом глубина проникновения углерода не превышает 2 мм. Рабочим веществом служат газы искусственного или природного происхождения с высоким содержанием углерода. Наибольшей популярностью пользуются газы, являющиеся побочными элементами распада нефтепродуктов.

Для получения газа используют керосин ввиду неустойчивости углерода в его составе. Часть газа подвергают модификации для увеличения глубины проникновения.

Как и в предыдущем способе, для обработки используют специальные, герметично закрытые печи.

Технология отличается длительным процессом обработки. Для получения насыщенного слоя стали глубиной 1,2 мм необходимо 15 часов при 900 °C. Для ускорения реакции необходимо повысить температуру.

Современные предприятия проводят обработку с применением горючих природных газов, которые поддерживают углеродный баланс внутри печи.

Проведение цементации в жидкой среде

Реакция происходит в насыщенном растворе карбонатных солей щелочных металлов, обладающих низкой температурой плавления. Процесс обработки выглядит следующим образом:

Соляной раствор наливают в специальную емкость.
В жидкость опускают детали.
Раствор нагревают до рабочей температуры, которая составляет 850 °C.
Заготовку выдерживают заданное время. Обычно оно не превышает 3 часов.

Достоинства данного метода – высокая скорость реакции и равномерное покрытие поверхности стали. Недостатком является глубина проникновения углерода – до 0,5 мм.

Передовая технология, которая отличается высокой скоростью проникновения углерода в сталь. Процесс обработки полностью автоматизирован: время подачи углерода, регулировка рабочего давления и скорость реакции контролируются программным обеспечением, которое установлено на всех компьютерах печи.

Этапы обработки:

Стальную заготовку помещают в камеру.
Из корпуса выкачивают весь воздух, создавая вакуум.
Печь нагревают до рабочей температуры.
Деталь выдерживают определенное время.
В камеру подают углеводородный газ под давлением.
Под действием вакуума углерод активно внедряется в кристаллическую решетку.
Науглероживание стали выполняют в несколько этапов в зависимости от требуемой глубины проникновения.
В камеру подают инертный газ, охлаждая температуру.

Из достоинств необходимо выделить полное отсутствие кислорода, что повышает качество обработки.

Способы цементации пастами

Если модификация носит непостоянный характер, используют специальные пасты из сажи и угля древесного происхождения. Для получения глубокого проникновения требуется наносить толстый слой. После этого деталь помещают в индукционную печь. Для достижения результата требуется температура 1000–1050 °C.

В электролитическом растворе

Данный метод обработки стали имеет сходство с гальванизацией. Процесс проходит в растворе электролита, в котором под действием электричества образуются свободные атомы углерода. Температуру и напряжения устанавливают в зависимости от необходимой глубины проникновения.

Можно ли цементировать сталь в домашних условиях

В случае необходимости можно цементировать металл в домашних условиях. Как правило, для этих целей выбирают технологию обработки в твердой среде. Время насыщения может занимать несколько часов, поэтому основная сложность кустарных работ – поддержание заданной температуры на протяжении всего цикла.

Качество домашней обработки значительно ниже, чем в условиях промышленных установок. Кроме того, рентабельность работ может обеспечить только большое количество обрабатываемых деталей, что не всегда возможно.

Свойства металла после обработки

В результате насыщения углеродом твердость верхнего слоя может достигать 64 HRC. Интенсивное температурное воздействие изменяет структуру после цементации.

Для нивелирования этих свойств заготовку подвергают повторной обработке и закалке с последующими нормализацией или отпуском в зависимости от типа стали.

Во время закалки благодаря образованию феррита происходит измельчение зерновой структуры.

Во избежание поверхностных деформаций на завершающем этапе проводят низкотемпературный отпуск стали.

Цементацию стали применяют для получения высокопрочной поверхности, которая способна выдерживать значительные нагрузки, что увеличивает срок эксплуатации. А вы когда-нибудь пробовали обрабатывать детали по данной технологии в домашних условиях? Расскажите о качестве полученного продукта в комментариях.

Химико-термическая обработка стали. Науглероживание стали в домашних условиях

Химико-термическая обработка стали | Обработка металла – стали и цветных металлов

Такая обработка металла изменяет не только его структуру, а и химический состав его поверхности. Благодаря этому деталь может иметь вяжущую сердцевину, которая выдерживает ударные нагрузки, и высокую твердость и стойкость против воздействия извне. Существует несколько способов химико-термической обработки, но в условиях небольшой мастерской (тем более в домашних условиях) можно выполнить только цементацию.

Цементация – насыщение углеродом поверхностного слоя стали без доступа воздуха, в среде (карбюризаторе), котороя имеет значительное содержимое углерода. Цементируют обычно детали из малоуглеродных сталей, которые после закала поверхностного слоя шлифуют. Карбюризаторы для цементации поверхностного слоя стали могут иметь разный состав, но простейший такой, %:

Углекислый натрий или углекислыйбарий (для ответственных деталей) ………10Углекислый кальций……………………………..3Древесный уголь…………………………………..87

Карбюризатор можно приготовить из углекислого натрия (сода 6-10 %) и пиленного рога или торфяного кокса (90-94 %). Мелкие или одиночные детали цементируют в пасте, которая состоит из таких компонентов, %:

Газовая сажа……………………………………….28Кальцинированная сода………………………3,5Желтая кровяная соль………………………..1,5Веретенное масло……………………………….67илиГолландская сажа………………………………30Кальцинированная сода……………………….10Веретенное масло………………………………40Декстрин (клей) ………………………………..20

Хорошую пасту для цементации можно приготовить из художественной краски «Газовая сажа» (продают в тюбиках), к которой домешивают часть за массой кальцинированной соды.Места на деталях, которые не нуждаются в цементации, защищают противо-цементационными обмазками. Простейшая обмазка – это огнеупорная глина с добавкой (10 %) асбестового боя. Замешивают смесь на воде. Удобная в пользовании и такая обмазка, %: тальк-50, каолин – 25, вода – 25.Разводят эту обмазку к нужной плотности жидким стеклом или конторским силикатным клеем. Закладывают детали в цементационные ящики после высыхания обмазки. Цементируют так. В металлический ящик с крышкой на дно насыпают карбюризатор слоем 30- 40 мм и на него кладут подготовленные (обмазанные) детали таким образом, чтобы расстояние между ними, а также между ними и стенками ящика сотовляла около 10-15 мм. Сверху детали присыпают карбюризатором слоем 30-40 мм, закрывают крышкой, промазывают ее кромки огнеупорной глиной и сушат.Если для цементации используют пасту, то деталь намазывают ею слоем толще 3-4 мм, кладут в ящик, закрывают и также обмазывают кромки крышки огнеупорной глиной. После высыхания глины ящик помещают в печь и выдерживают (температуры 930-950 °С) на протяжении 1,5-3 года (с твердым карбюризатором 7-8 лет). При этом слой цементации достигает 1 мм. Иногда в ящике для цементации делают отверстия и в них вставляют 1-2 отрезка мягкого стального провода диаметром 3-4 мм (пробник). Щели хорошо обмазывают огнеупорной глиной. Спустя некоторое время пробник вынимают, отверстие замазывают глиной, а пробник переризают и определяют глубину цементации, т.е. целесообразность дальнейшего прогревания. После цементации детали охлаждают вместе с ящиком, потом нагревают до температуры 760- 780 °С. и закаливают. Упрощенная цементация. Небольшие детали из малоуглеродных сталей цементируют такими способами:желтой кровяной солью (железо-цианистый калий). Для цементации деталь нагревают, обсыпают солью и снова нагревают до расплавления соли (850 °С), потом вынимают и закаливают. При этом слой цементации сравнительно небольшой – около 0,15 мм. Если необходимо увеличить его, деталь обсыпают солью и нагревают при указанной температуре на протяжении 1 ч, потом сразу же закаливают, чугунными опилками. Это старый кузнечный способ «укрепление в горне». Нагретую к белому цвету деталь, не вынимая из горна, очищают проволочной щеткой и присыпают чугунными опилками, из которых углерод переходит на поверхность детали. Очищение и присыпания повторяют несколько раз. Целесообразно одновременно с опилками присыпать накаленное изделие древесному углем. После этого изделие закаливают восстановительным пламенем горелки. Если в газовую горелку не дать достаточно кислорода, углерод, который есть в ацетилене, не полностью сгорает и может переходить в состав металла на месте сваривания, т.е. происходит местное неглубокое науглеродование. Когда же одновременно применить как присадку стальной провод, который используют в автоматах для наваривания шеек коленчатых и других валов, толщину углеродного пласта можно увеличить до 1-2 мм. Смотрите также термическая обработка стали.

ometals.ru

Технология цементации стали. Закалка в домашних условиях видео.

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. 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. Содержание 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.

Температура данного способа несколько выше, чем при газовой цементации. Недостатком процесса является сложность контроля над насыщением поверхности углеродом, что может привести к неравномерной твердости.

samara-metall.ru

Нам понадобится:- источник постоянного тока;- немного соли;- вода;- графит в порошкообразном состоянии;- небольшой кусок тряпки;- металлический профиль.

usamodelkina.ru

Химико-термическая обработка стали

Благодаря такой обработке меняется не только структура металла, но и химический состав его верхнего слоя и деталь может иметь вязкую сердцевину, выдерживающую ударные нагрузки, высокую твердость и износность. Из существующих способов химико-термической обработки стали в условиях небольшой мастерской можно выполнять только цементацию. Цементация - это науглероживание поверхности стали. Этому процессу подвергают чаще всего изделия из малоуглеродистых сталей, содержащих не более 0,2% углерода и некоторых легированных сталей. Детали, предназначенные для цементации, сначала очищают. Поверхности не подлежащие науглероживанию, покрывают специальными предохранительными противоцементными обмазками.

Цементацию делают после полного высыхания обмазки.

В условиях домашней небольшой мастерской удобнее осуществлять цементацию с помощью пасты. Это цементация в твердом карбюризаторе. В состав пасты входят: сажа - 55%, кальцинированная сода - 30%, щавелевокислый натрий - 15%, вода для образования сметанообразной массы. Пасту наносят на нужные участки изделия, дают высохнуть. Затем изделие помещают в печь, выдерживая при температуре 900-920°С в течение 2-2,5 часов. При использовании такой пасты цементация обеспечивает толщину науглероженного слоя 0,7-0,8 мм.

Жидкостная цементация также возможна в небольшой мастерской при наличии печи-ванной, в которой и происходит науглероживание инструментов и других изделий. В состав жидкости входят: сода - 75-85%, 10-15% хлористого натрия, 6-10% карбида кремния. Печь-ванну наполняют этим составом и погружают изделие или инструмент. Процесс протекает при температуре 850-860°С в течение 1,5-2 часов; толщина науглероженного слоя достигает при этом 0,3-0,4 мм.

Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.

Нагрев заготовки - ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С - в 5 раз. Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются. Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке. Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм.

Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

При перегреве металл приобретает крупнозернистую структуру и его пластичность снижается. Поэтому необходимо обращаться к диаграмме "железо-углерод", где определены температуры для начала и конца ковки. Однако перегрев заготовки можно при необходимости исправить методом термической обработки, но на это требуется дополнительное время и энергия. Нагрев металла до еще большей температуры приводит к пережогу, от чего происходит нарушение связей между зернами и такой металл полностью разрушается при ковке. Пережог - неисправимый брак. Если заготовку ковать нагрев до температуры ниже Тн, то это приведет к образованию трещин.

При температуре на 20-30°С выше температуры Тк в металле происходит раскристаллизация и структура остается мелкозернистой. На этом этапе надо заканчивать ковку.

При ковке изделий из низкоуглеродистых сталей требуется меньше число нагревов, чем при ковке подобного изделия из высокоуглеродистой или легированной стали.

Итак. При нагреве металла требуется следить за температурой нагрева, временем нагрева и температурой конца нагрева. При увеличении времени нагрева - слой окалины растет, а при интенсивном, быстром нагреве могут появиться трещины. Известно из опыта, что на древесном угле заготовка 10-20 мм в диаметре нагревается до ковочной температуры за 3-4 минуты, а заготовки диаметром 40-50 мм прогревают 15-25 минут, отслеживая цвет каления.

www.kefa.ru

Закалка и науглероживание металлов - Кустарь

Закалка имеет целью придать стали особую твердость, свойственную стали, нагретой выше 700 °C и быстро охлажденной. При операциях закалки большое значение имеет правильный накал металла (отсутствие пережога) и равномерное быстрое охлаждение. При накаливании металла следует избегать излишнего окисления поверхности. Лучше всего накаливаемую сталь покрывать особым составом, который содержит в себе углерод. Углерод этот переходит в сталь (науглероживание) и сообщает ей особую твердость.

1. Ванны для закаливания по Шену. Примененная опытной рукой водяная баня является самым дешевым средством для закаливания металлов. Нужно только позаботиться, чтобы водяная баня была продолжительное время одинаковой температуры, лучше всего 27°. При более теплой воде металл делается ломким, при горячей воде - недостаточно твердым. Выгоднее всего при каждом сорте товара пробным опытом установить верную температуру и уже держаться ее при работе.

2. Особый прием закалки стали. Как известно, стали можно придать путем особой закалки такую твердость, что она будет резать стекло, подобно алмазу. Но не всем известно, что для сообщения стали такой твердости существует простой способ. Шило, лезвие ножа или другой инструмент следует накалить до ярко красного свечения и тотчас же погрузить в обыкновенный сургуч на одну лишь секунду. Операцию погружения в сургуч нужно повторить несколько раз, выбирая каждый раз для погружения свежее место в сургуче до тех пор, пока сталь не остынет и не будет уже более входить в сургуч. Тогда процесс закалки считается законченным. Остается очистить приставшие частицы сургуча. При употреблении закаленного таким способом острия или лезвия из стали, советуется каждый раз смачивать его скипидаром.

3. Составы для науглероживаиия закаливаемой стали. а) Хорошим составом для науглероживания закаливаемой стали может быть следующий: берут 1 толченого стекла, 200 поваренной соли, 8 животного угля, 2 древесного угля, 2,5 ржаной муки, 25 канифоли и 1200 желтой кровяной соли, растирают все составные части в порошок и замешивают в спирте до получения густого теста. Этим составом Покрывают стальные предметы перед закалкой. Особенно пригоден он для инструментов, как напр., напильников и т. п.

б) Вместо указанного выше рецепта можно применить следующий. Берут 700 канифоли, 300 железисто- синеродистого калия (желтой кровяной соли), 100 медного купороса и 100 льняного масла. Эти составные части, начиная с канифоли, варятся в горшке при постоянном помешивании (по Бруккерту) до тех пор, пока останется остаток в 1000 (улетучивают таким образом 200). Массу выливают в ящики, где она затвердевает. Чтобы закалить инструмент, его нагревают до вишнево-красного каления и втыкают в массу, которая под влиянием разогретого инструмента становится сразу мягкой. Хорошую сталь еще раз нагревают и погружают затем в холодную воду, отчего сталь становится очень упругой. Сталь худшего качества нужно 2 - 3 раза подряд погружать, каждый раз перед этим накаливая ее, в закаливающуюмассу.

4. Закалка напильников. Напильники обсыпаются смесью из 5 роговой муки, 5 древесного угля в порошке, 2 поваренной соли в порошке и 1 железисто-синеродистого Калия (желтой кровяной соли).

www.sdelaysam.info

sovmasteru.ru

Науглероживатель: производство, особенности, применение

В процессе выплавки чугунов и сталей углерод вводят в расплав или подают на зеркало металла в момент его разлива. Для этого используют специальные углеродсодержащие материалы, которые называют науглероживателями (или карбюризаторами). Науглероживатель придает сплавам железа дополнительную прочность, твёрдость, снижает их вязкость и пластичность, а также предупреждает окисление отливок во время охлаждения.

В качестве карбюризаторов активно применяется искусственный измельченный графит разных марок.

Производство науглероживателя

Технология получения основывается на глубокой термообработке исходного материала, в результате которой он приобретает совершенную (или приближенную к совершенной) кристаллическую решетку с упорядоченно расположенными атомами. Процесс протекает при высоких температурах (2400-2600 °С) в промышленных условиях без доступа воздуха.

Сырьем для производства служат:

Электродный бой.
Графитовая стружка, оставшаяся после обработки фасонных изделий.
Нефтяной кокс, пековый кокс.
Огарки графитовых электродов.
Графитовый лом.
Антрацит.

Для карбюризаторов характерно особо низкое содержание азота, т.к. при массовой доле выше 0,009% он формирует структурные дефекты - газовые поры или трещины.

Особенности выбора

Основные показатели, определяющие целесообразность использования материала той или иной марки, следующие:

массовая доля углерода: чистота химического состава оказывает прямое влияние на степень насыщения расплава. Наименьшим содержанием примесей характеризуются материалы, подвергнутые графитации: при упорядочивании структуры атомных слоев происходит и снижение зольности;
степень усвоения углерода жидким металлом: во многом зависит от типа используемого плавильного агрегата, но значение имеют также и скорость растворения науглероживающих реагентов, их химический и минералогический состав, содержание летучих веществ. Измельченный графит растворяется в расплавах быстро и равномерно даже при относительно низких температурах;
размер фракций: пылевидные и мелкие частицы могут быть унесены конвективными воздушными потоками; кроме того, они наиболее подвержены окислению. Крупные фракции медленно растворяются. Чтобы правильно рассчитать этот параметр, следует исходить из объема обогащаемой стали (чугуна), а также интенсивности перемешивания;
зольность: зола состоит из разных химических элементов, которые оказывают негативное влияние на поглощение углерода жидким металлом. Минеральные примеси первыми вступают в реакцию, откладывая тем самым процесс науглероживания. Процентное содержание золы во многом зависит от состава исходного сырья, температуры его обработки и величины частиц.

Материалы, имеющие природное происхождение, отличаются повышенной зольностью (по сравнению с искусственными).

Область применения

Карбюризаторы предназначены для получения стали и чугуна определенного химического состава с заданными свойствами. Основные преимущества использования для их производства искусственного измельченного графита:

снижение себестоимости конечной продукции;
оптимизация технологического процесса выплавки;
глубокое, полное и равномерное растворение углерода в металле;
удобство транспортировки и хранения;
устойчивость к окислению.

Помимо обогащения сталей, науглероживатели широко применяются для вспенивания шлаков, при изготовлении углеграфитовых продуктов и материалов, а также служат наполнителями для графитопластов.

doncarb.com