Что такое цементация стали и как ее сделать в домашних условиях?

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:

1. Первый метод заключается в использовании соли и угля, которые тщательно перемешиваются. Если использовать не однородную смесь, то есть вероятность образования пятен с низкой концентрацией углерода.
2. Второй метод предусматривает применение древесного угля, которые поливается сверху солью, растворенной в воде. После этого уголь сушится до получения смеси с показателем влажности около 7%.

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:

Деталь укладывается в ящик со смесью. Толщина слоя твердого карбюризатора выбирается в зависимости от размеров заготовки.
Устанавливается печь.
Начальный прогрев печи проводится до температуры 700 градусов Цельсия. Данный нагрев называют сквозным. Однородность цвета стали, из которого изготавливается ящик, говорит о возможности перехода к следующему этапу.
Следующий шаг заключается в нагреве среды до требуемой температуры

Важно обеспечить равномерный нагрев поверхности деталей сложной формы, так как могут возникнуть существенные проблемы при неравномерном перестроении атомной структуры.

Цементация стали в ящике в домашних условиях

Сегодня есть возможность провести подобную процедуру и в домашних условиях, но возникают трудности с достижением требуемой температуры.

Определение слова «Цементация» по БСЭ:

Цементация — в строительстве, закрепление грунтов, горных пород, каменных и бетонных кладок путём нагнетания в пустоты, трещины и поры жидкого цементного раствора или цементной суспензии. Применяется для укрепления оснований сооружений, создания противофильтрационных завес, придания водонепроницаемости породам при проходке горных выработок (шахт, тоннелей), повышения монолитности и водонепроницаемости каменной и бетонной кладки. См. также Закрепление грунтов.

Цементация — в цветной металлургии, гидрометаллургический процесс, основанный на вытеснении более электроположительных металлов из растворов их соединений менее электроположительными металлами, находящимися в твёрдом состоянии. Например, нормальный электрохимический потенциал меди + 0,344 в, цинка — 0,762 в. эта разность потенциалов позволяет осуществлять реакцию Cu2+_{раствор} + Zn_мeталл&rarr. Zn2+_{раствор} + Cu_мeталл.. Чем больше разность потенциалов, тем меньше остаточное в растворе осаждаемого металла. Ц. широко применяют для очистки растворов от примесей и для извлечения металлов из растворов. Процесс может быть применен также для осаждения металлов из расплавленных шлаков.Лит.: Плаксин И. Н., Юхтанов Д. М., Гидрометаллургия, М., 1949. Масленицкий И. Н., Чугаев Л. В., Металлургия благородных металлов, М., 1972. Набойченко С. С., Смирнов В. И., Гидрометаллургия меди, М., 1974.

Цементация — стали, разновидность химико-термической обработки, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1-0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель Ц. — повышение твёрдости и износостойкости поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом (до 0,8-1,2%) и последующей закалкой с низким отпуском (при этом сердцевина изделия, не насыщаемая углеродом, сохраняет высокую вязкость). Глубина цементованного слоя 0,5-1,5 мм (реже больше). концентрация углерода в слое убывает от поверхности к сердцевине изделия. Ц. и последующая термическая обработка повышают предел выносливости металла и понижают чувствительность его к концентраторам напряжения. Различают Ц. твёрдыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую Ц. На заводах массового производства обычно применяют газовую Ц., при которой легче регулируется концентрация углерода в слое, сокращается длительность процесса, обеспечивается возможность полной его механизации и автоматизации, упрощается последующая термическая обработка.Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965. Лахтин Ю. М., Металловедение и термическая обработка металлов, 2 изд., М.. 1977.Ю. М. Лахтин.

Цементация в кипящем слое

Процесс цементации в кипящем слое проходит в атмосфере эндогаза с добавкой метана. Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, в которой за счёт проходящего потока газа через слои мелких (0,05-0,20 мм) частиц (чаще корунда) создаётся их интенсивное перемешивание, что внешне напоминает кипящую жидкость. Частицы корунда располагаются на газораспределительной решётке печи. При определённой скорости прохождения восходящего потока газа (выше критической скорости) частицы становятся подвижными, и слой приобретает некоторые свойства жидкости (псевдоожиженный слой). В этом состоянии сцепление между частицами нарушено, они становятся подвижными и опираются не на решётку, а на поток газа. Достоинствами процесса цементации в кипящем слое являются: сокращение длительности процесса вследствие большой скорости нагрева и высокого коэффициента массоотдачи углерода; возможность регулирования углеродного потенциала атмосферы в рабочей зоне печи; уменьшение деформации и коробления обрабатываемых деталей за счёт равномерного распределения температуры по всему объёму печи. Процесс цементации в кипящем слое может быть использован на заводах мелкосерийного и единичного производства.

Цементация металла в твердой среде

фракциями размером порядка 3-10 мм

Для создания смеси могут применяться два основных способа:

• В качестве основных компонентов используется сухая соль и уголь, которые необходимо основательно перемешать друг с другом, тем самым удастся снизить до минимума риск появления пятен во время химико-термической обработки стали;
• На подготовленный древесный уголь нужно лить соль, предварительно смешанную с водой до растворения. Далее созданную на основе этих компонентов массу необходимо поместить для высушивания, причем оптимально, когда влажность смеси не превышает 7%.

Из этих методик наиболее предпочтительной является вторая ввиду ее более высокого качества. Это проявляется в том, что с ее помощью можно создать более равномерную смесь для насыщения поверхности углеродом. В составе готового карбюризатора на долю древесного угля приходится порядка 70-90%, а остальное занимает углекислый кальций и углекислый барий.

Для проведения твердой цементации применяют ящики, куда помещают карбюризатор. Лучше всего использовать ящик, соответствующий форме обрабатываемых изделий. Дело в том, что это поможет улучшить качество цементированного слоя, при этом удастся сократить до минимума время, которое требуется для прогрева тары

Важно позаботиться об отсутствии утечки газов: эту проблему решают путем замазывания ящиков глиной, а затем накрывают сверху герметичными крышками

Важным моментом является и то, что прибегать к рассматриваемому варианту создания для непосредственного использования тары специальной формы имеет смысл в тех случаях, когда необходимо обработать посредством химико-термического метода большое количество деталей. Наибольшее распространение получили ящики, имеющие стандартную форму, которые различаются геометрическими размерами. Это дает возможность подбирать из них наиболее оптимальный вариант, который в наибольшей степени учитывает количество обрабатываемых изделий и размеры печи.

Обычно ящики изготавливают на основе малоуглеродистой или жаростойкой стали. Причем при выполнении обработки деталей при помощи твердого карбюризатора придерживаются следующей схемы:

• Нуждающиеся в насыщение углеродом детали следует разместить с чередованием в ящике, заполненном заранее приготовленной смесью;
• Далее готовят к работе печь, для чего ее прогревают до температуры 900-950 градусов, затем туда размещается рабочая тара;
• Сама операция по прогреву ящика выполняется при температуре от 700 до 800 градусов. Определить, что ящики прогрелись достаточно, можно по подовой плите, которая должна иметь однородный цвет;
• На заключительном этапе температуру печи увеличивают до отметки 900-950 градусов Цельсия.

Создание указанного температурного режима обеспечивает условия для проникновения диффузии в кристаллическую структуру металла активного углерода. Теоретически этот метод может применяться и для химико-термической обработки зданий, причем отдельные мастера способны справиться с этой задачей и своими силами. Однако в плане эффективности подобная обработка, проводимая в домашних условиях, отличается довольно невысокой эффективностью, причиной чего является долгая обработка и необходимость в создании высокого температурного режима.

Режимы закалки

Поскольку при закалке растут не только прочностные характеристики, но и хрупкость, технология правильного ведения процесса состоит в том, чтобы, с одной стороны, зафиксировать так можно большее количество остающегося аустенита, а другой стороны, снизить негативные проявления таких изменений

Особенно это важно для деталей сложной формы, где уже имеются концентраторы напряжений

Задача решается ускоренным охлаждением деталей, нагретых выше температуры аустенитного превращения на 30…50 °С, с последующим отпуском. В качестве охлаждающей среды используется вода или масло, а итогом такого охлаждения является появление в микроструктуре мартенсита – пересыщенного твёрдого раствора углерода в железе. Мартенсит — значительно более твердая структура, с иным типом кристаллической решётки и игольчатой структурой кристаллов. Он считается так называемой метастабильной фазой, которая в обычных условиях существовать не может.

Закалка подразделяется на следующие виды:

1. Изотермическую, при которой выполняется непрерывное охлаждение в масле, либо в расплавах солей хлоридов бария и натрия. В результате аустенитное превращение протекает полностью, а в закалённом продукте исключаются трещинообразование и коробление. Изотермическая закалка и отпуск обязательны для конструкций сложной формы и значительных габаритных размеров.
2. Ступенчатую, при которой после закалки в ванне до окончания мартенситного превращения и выравнивания температурных перепадов по всему сечению, продукцию извлекают из закалочной ёмкости, и в дальнейшем охлаждают уже на спокойном воздухе.
3. Сквозную, применяемую для деталей небольших размеров. В результате получается наивысшая равномерность механических свойств.

Три вида отпуска после закалки

Особенности закалки инструментальных сталей заключаются в том, что они работают при гораздо повышенных эксплуатационных нагрузках: например, для тяжелонагруженного инструмента они достигают 3000…3500 МПа

Поэтому крайне важно обеспечить удовлетворительное сочетание всех прочностных параметров. Принципиальным отличием всех режимов закалки инструментальных сталей является обязательность отпуска непосредственно после закалки

Наилучший результат дают следующие режимы закалки:

1. Изотермическая.
2. Закалка с самопроизвольным отпуском, при которой нагретую деталь кратковременно извлекают из охлаждающей среды (масла), очищают от образовавшейся плёнки окислов, после чего вновь опускают в масляную ванну.
3. Чистая, при которой нагрев ведут в печах с контролируемой атмосферой, свободной от окислов.
4. Светлая, когда продукция нагревается в щелочных расплавах.

https://youtube.com/watch?v=I-br0B8ocpI

Нагрев под закалку проводят преимущественно в электропечах или в газовых печах, атмосфера которых содержит инертный газ. Так обеспечивается качество и полнота мартенситного превращения, исключаются неравномерность свойств и поверхностные дефекты.

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.

Цементация стали в домашних условиях: что это и как осуществить

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.

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.

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.

Применение защитных мер

В процессе термической обработки происходит постепенное выгорание углерода и образование налета окалины. Для предотвращения ухудшения качества металла и его защиты используются защитные газы, которые закачиваются в ходе процесса закаливания. В печь имеющую герметичную камеру, где происходит термообработка с помощью специального генератора, закачивается газ аммиак или метан.

При отсутствии герметичных печей операции обработки производятся в специальной герметичной таре, куда предварительно засыпается чугунная стружка для предотвращения выгорания углерода.

При обработке заготовок в соляных ваннах металл защищен от окисления, а для создания необходимых условий для сохранения уровня углерода содержание ванной 2-х кратно в течение суток раскисляется борной кислотой, кровяной солью или бурой. При температуре обработки в диапазоне температур 760-1000 °С в качестве раскислителя может использоваться древесный уголь.

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.

Структурные изменения в металле

При внедрении атомов азота и углерода в поверхностном слое металла происходят некоторые изменения. При нитроцианировании меняется соотношение остаточного количества аустенитов и мелкокристаллических мартенситов в поверхностном слое, добавляется небольшое количество твердого раствора карбонитридов, что влияет на механические свойства – твердость и износостойкость.

В то же время несколько повышается хрупкость и снижается усталостная и контактная прочность. Особенно это качество проявляется в легированной стали с содержанием никеля более 1.2 %. Таким образом, не все марки стали допустимо обрабатывать по данной методике. Уменьшение размеров зерен структуры достигается путем дополнительной закалки и отпуска непосредственно после процесса нитроцементации. Обработанная таким образом сталь имеет меньший размер зерен, чем цементированная, что повышает ее прочность на изгиб при одновременном уменьшении толщины обработанного слоя.

Нитроцементация существенно изменяет характеристики тонкого наружного слоя металла, его твердость и износостойкость. После дополнительной термической обработки – закалки, твердость поверхностного слоя по шкале Роквелла составляет 58-64 HRC или 500 – 1000 HV по методу Виккерса. Применяя низкотемпературную цементацию, можно получить тонкий поверхностный слой с твердостью 5000 – 11000 HV.