Технология применяется для повышения твердости и износостойкости, особенно на поверхности металла. Она нужна в производстве зубчатых колес, подшипников, валов и других деталей, которые подвергаются высоким механическим нагрузкам и постоянному трению.

Как проходит цементация металлических изделий

Сначала стальную деталь необходимо очистить от загрязнений, окислов или защитных покрытий. Это может включать механическую обработку, шлифовку или очистку в химическом растворе. Используют соляную (HCl) или серную (H2SO4) кислоту. Щелочные растворы на основе гидроксида натрия (NaOH) или гидроксида калия (KOH) применяются для удаления органических загрязнений, жиров, масел. Для механической чистки берут шлифовальные круги в разных размерах и типах абразивов (оксид алюминия или карбид кремния). Ленты с абразивным покрытием можно натянуть на шлифовальный станок или ручной инструмент (ленточная шлифмашина).

Подготовленная деталь помещается в цементирующую среду. Это может быть микс из твердых или жидких цементирующих веществ, таких как уголь, газообразный углерод. Цементирующую смесь можно приготовить самостоятельно из раздробленных фракций древесного угля (по 3-10 мм). Подойдет коксовый порошок, технический уголь. Газообразный углерод (метан CH4, этилен C2H4 или пропан C3H8) вводится в обычную или атмосферную печь, где он взаимодействует с металлической деталью. Углерод диффундирует в поверхностный слой стали, образуя углеродсодержащие соединения, такие как цементит.

Газ или паста нагревается до определенной температуры, которая обеспечивает активацию реакций и диффузию. Углерод проникает в кристаллическую структуру металла, замещая атомы железа и образуя твердый раствор. Повышенная температура увеличивает мобильность атомов, что позволяет достичь большей глубины цементации и создать более однородный углеродный профиль. Нагрев также устраняет внутренние напряжения, вызванные процессами деформации или предыдущей термической обработкой (отжигом, плавлением, отпуском). Диффузия углерода может занимать несколько часов или даже дней, в зависимости от желаемой глубины проникновения.

Во время цементации происходит изменение структуры стальной детали, включая формирование цементного слоя. Охлаждение закрепляет полученную микроструктуру и предотвращает ее дальнейшие изменения или разрушение. Контролируемое снижение температуры позволяет избежать излишнего сжатия (если охладить деталь неравномерно или только какую-то ее часть). Перегрев же вызывает деформацию детали. Это связано с изменением формы элемента из-за неравномерного расширения. Такая деформация приводит к отклонениям от заданных размеров и геометрии.

Способы цементации стали

Выбор метода термообработки зависит от желаемой глубины проникновения цементирующего вещества, времени процесса диффузии, размера и формы детали, а также требуемых механических свойств.

Газовая цементация металла

При таком способе элементы обрабатываются в газовой среде, содержащей углерод. Заготовка помещается в закрытую газонепроницаемую камеру или печь, где создается специальная атмосфера. Герметичное пространство обычно имеет уплотнения и вентили. Процесс может проводиться в вакууме или под определенным давлением. В качестве карбюризатора берут природный газ, жидкие углеводороды (дизельное топливо, бензин) или растворители (бензол, толуол). Термопары, датчики, газоанализаторы и другие инструменты позволяют мониторить параметры обработки. Углеводородные вещества можно легко дозировать, разбавлять, анализировать.

Жидкая цементация сплавов

Науглероживание происходит в жидкой среде на основе цианида или других органических соединений с высоким содержанием углерода. Атомы абсорбируются внутрь металлической детали. Важным аспектом является минимизация содержания кислорода вокруг, так как он приводит к окислению металла и нежелательным реакциям. Такой способ менее популярный из-за необходимости нагревать и жидкость, дорогостоящего оборудования. Можно обратиться к компании, которая оказывает услуги жидкой цементации, например, Трайв. Организация также изготавливает крепежи и разные метизы в России.

Обработка в растворе электролита называется электроцементацией. Основной принцип процесса состоит в том, что стальные детали используются в качестве анодов, а катоды представляют собой угольные или углеродные электроды. Электролит, обычно содержащий соли углерода, окружает аноды и катоды. Под действием электрического тока происходит разложение электролита на ионы, атомы и молекулы. Ионы углерода притягиваются к поверхности анода (стальной детали), где они реагируют с металлом, встраивая полученные атомы в поверхностный слой. Процесс требует контроля температуры, концентрации электролита, плотности тока и времени экспозиции.

Твердая цементация металлов

Технология почти не используется, ее вытеснила более эффективная и дешевая газовая обработка. Хотя твердое науглероживание часто применяется в домашних условиях. Метод довольно прост и не требует специализированного оборудования. Процесс твердой цементации металлических изделий включает:

• Подготовку поверхности. Железный элемент нужно очистить от загрязнений, окислов или защитных покрытий. Проводится механическая обработка: шлифовка бумагой, кругами или дисками, пескоструйная обработка абразивными материалами.

• Нанесение твердого цементирующего элемента. Паста или твердые аммиачные соединения наносятся на поверхность сплава. Карбюризатор обычно содержит цианиды или карбиды, смешанные с подходящими добавками. Твердый источник углерода может быть также в виде порошка – карбид кремния (SiC) или карбид бора (B4C).

• Нагрев и выдержку. Изделия помещаются в огнеупорную печь или камеру, который покрывают герметиком (глиной или другим материалом). Форма нагревается до 800-950°C в зависимости от требуемой глубины науглероживания.

• Проникновение углерода. При нагреве твердый карбюризатор разлагается, выделяя углеродные атомы. Частицы цементирующего элемента проникают в поверхностный слой, реагируя с металлом и обогащая его.

В конце изделие охлаждают в контролируемой среде или жидкости. Для этого используют печи, камеры или охлаждающие системы, которые обеспечивают равномерное распределение температуры. Поверхность также очищается от остатков твердого источника углерода, например, с помощью щелочного раствора или кислоты. Обычно сразу после этого происходит дальнейшая термическая обработка заготовки.

Вакуумная цементация металла

Относится к светлым типам термической обработки, позволяет получить поверхность с минимальной карбидной сеткой. В вакуумной среде отсутствует кислород, поэтому исключается окисление и обезуглероживание. Это позволяет получить поверхностный слой с чистой и однородной структурой. Некоторые цементирующие элементы могут быть несовместимы с вакуумной средой или не обеспечивать достаточное проникновение и образование твердого раствора в материале. Тяжелые газы иногда осаждаются внизу оборудования, такой налет удаляют механически щетками.

При вакуумной углеродизации графит размещается вокруг стального изделия. В процессе азотизации азотный газ или аммиак (NH3) используются в качестве цементирующего элемента. Азот проникает в поверхностный слой материала при высокой температуре и вакуумной среде, образуя твердый раствор с азотом. Это может улучшить коррозионную стойкость верхнего слоя. Науглероживание с помощью вакуума используется редко из-за дороговизны оборудования и его обслуживания.

Нитроцементация стали

Во время такой термохимической обработки на поверхность нагретого до 500-600 °C изделия вводят углерод с использованием азотсодержащих соединений. Также подойдут продукты разложения жидкого карбюризатора – триэтаноламина. В результате образуется нитрированный слой со сложным составом, что приводит к повышению твердости и износостойкости стали. При этом аустенитное зерно (одна из фаз железоуглеродистых сплавов с гранулярной структурой) образуется меньше из-за относительно низких температур обработки.

Возможные проблемы во время цементации стали

Если цементирующий элемент проникает не во все части поверхностного слоя одинаково, это может привести к неравномерности микроструктуры и твердости. Также узкие пространства, резкие углы, острые края или глубокие полости могут создавать трудности для равномерной диффузии. Наличие окислов, масел, покрытий или других загрязнений препятствуют нормальному протеканию процесса. Слишком высокая температура вызывает термические напряжения в материале, что приводит к образованию трещин или деформациям.

Чтобы исправить неравномерность структуры, можно применить механическую обработку – шлифовку или полировку. Трещины и напряжения удаляются путем проведения термообработки, фрезерованием на станках с числовым программным управлением. Также помогает прокатка – устранение неровностей с помощью прокатного стана. В некоторых случаях трещины убирают разрезанием и последующей сваркой. Метод особенно эффективен для дефектов, которые не проходят через всю толщину изделия. После разрезания трещины материал соединяется сваркой, чтобы восстановить целостность и прочность конструкции.