Цементация металла — это технологический процесс поверхностного упрочнения стальных деталей. Его цель — создать на поверхности детали очень твердый, износостойкий слой, сохранив при этом вязкую и пластичную сердцевину. Это достигается за счет насыщения поверхностного слоя углеродом или азотом при высокой температуре с последующей закалкой.
Какие стали подвергаются цементации
Цементации подвергают преимущественно низкоуглеродистые (0.10-0.25% С) и низколегированные конструкционные стали. Это связано с необходимостью иметь пластичную, вязкую сердцевину, которая после насыщения поверхности углеродом и последующей закалки приобретет высокую твердость, сохраняя при этом прочное ядро. Типичные примеры: углеродистые стали марок 15, 20, 20Г; низколегированные стали марок 15Х, 20Х, 20ХН, 20ХН3А, 18ХГТ, 25ХГМ и др. Эти стали используются для изготовления ответственных деталей, работающих на износ и подверженных ударным нагрузкам (шестерни, валы, кулачки, поршневые пальцы и т.д.). Высокоуглеродистые и высоколегированные стали цементации не подвергают, так как они уже обладают высокой твердостью, а процесс может привести к излишней хрупкости.
Виды цементации
Существует несколько основных видов цементации, отличающихся средой, в которой происходит насыщение поверхности углеродом:
Твердая цементация: Исторически первый метод. Детали упаковываются в герметичные ящики с твердым карбюризатором (смесь древесного угля и активаторов - BaCO3, Na2CO3) и нагреваются до 900-950C. Недостатки: длительность процесса, трудность контроля, загрязнение поверхности.
Газовая цементация: Наиболее распространенный промышленный метод. Детали нагреваются в печах с контролируемой атмосферой, содержащей газы-карбюризаторы (природный газ, эндогаз, пропан, метан). Процесс проходит при 880-950C. Преимущества: лучший контроль глубины и концентрации углерода, возможность автоматизации, высокая производительность, чистая поверхность.
Вакуумная цементация (низкотемпературная): Проводится в вакууме (10−2 - 10−3 мм рт. ст.) при повышенных температурах (1000-1100C) с введением небольших порций углеводородного газа (обычно ацетилена). Обеспечивает очень быстрое и равномерное насыщение, минимальную деформацию, чистую поверхность, экологичность. Требует дорогостоящего оборудования.
Цементация в электролитном растворе (жидкостная): Детали погружаются в расплав солей (обычно карбонатов, хлоридов) при 840-860C. Насыщение происходит при пропускании тока через ванну (деталь - катод). Позволяет получать очень тонкий упрочненный слой за короткое время. Менее распространена из-за сложностей с экологией и контролем, чем газовая цементация.
Как цементация меняет свойства стали
Цементация кардинально изменяет свойства поверхности детали при сохранении свойств сердцевины:
- Поверхностный слой (0.5-2.0 мм): После насыщения углеродом (до 0.8-1.2%) и последующей закалки приобретает очень высокую твердость (58-65 HRC) и износостойкость. Это превращает поверхность в подобие высокоуглеродистой стали.
- Сердцевина: Сохраняет низкое содержание углерода (0.10-0.25%), оставаясь вязкой и пластичной после закалки (твердость обычно 25-40 HRC). Это обеспечивает детали высокую прочность на изгиб и сопротивление ударным нагрузкам.
- Ключевое преимущество: Создается градиент свойств – износостойкая и твердая поверхность сочетается с прочной и вязкой сердцевиной. Это особенно критично для деталей, работающих на контактную усталость (например, зубья шестерен) и испытывающих ударные нагрузки.
- Повышение усталостной прочности: Твердый поверхностный слой создает в нем благоприятные остаточные напряжения сжатия, которые значительно повышают сопротивление усталости детали (снижается риск зарождения усталостных трещин на поверхности).
- Недостатки: Процесс энергоемкий и длительный. Возможна деформация деталей из-за высокотемпературного нагрева и последующей закалки. Требуется точный контроль параметров для достижения заданной глубины и твердости слоя.