Цементация стали: технология, режимы и виды процесса

Цементация стали - это насыщение поверхностного слоя детали углеродом при высокой температуре с последующей закалкой. Цель простая и почти парадоксальная: получить деталь, у которой поверхность твёрдая и износостойкая, а сердцевина - вязкая и не хрупкая. Так делают зубчатые колёса, валы, кулачки, оси - всё, что должно сопротивляться истиранию, но при этом выдерживать удары и изгиб. Ниже разберём технологию по шагам: какую сталь брать, при какой температуре и сколько держать, чем отличаются виды цементации и что обязательно делать после неё. Если нужно разобрать конкретный режим под свою деталь, соберите запрос в калькуляторе ниже.

В чём суть технологии цементации

Цементация относится к химико-термической обработке - это процессы, где поверхность металла меняет химический состав под действием температуры и активной среды. Деталь нагревают до аустенитного состояния (обычно 900–950 °C) и выдерживают в среде, богатой углеродом. При такой температуре железо находится в форме аустенита, который хорошо растворяет углерод, и атомы углерода диффундируют из среды вглубь металла.

Рассчитать для своей задачи

Важно понимать: сама по себе цементация не делает поверхность твёрдой. Она только насыщает её углеродом, повышая его содержание у поверхности до 0,8–1,1 %. Твёрдость появляется на следующем шаге - при закалке, когда науглероженный слой превращается в мартенсит. Сердцевина при этом остаётся низкоуглеродистой, а значит вязкой. Именно сочетание «твёрдая корка плюс пластичная основа» и есть смысл всей технологии.

Какую сталь цементируют

Под цементацию берут низкоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1–0,25 %. Это принципиально: если бы исходная сталь была высокоуглеродистой, сердцевина после закалки тоже стала бы твёрдой и хрупкой, и эффект «вязкая основа» потерялся бы. Типичные цементуемые марки - сталь 15, 20, 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А, 20ХН3А. Легирующие элементы (хром, никель, марганец, титан) повышают прочность сердцевины и измельчают зерно, поэтому ответственные детали делают именно из легированных цементуемых сталей.

Связь содержания углерода и свойств стали - отдельная большая тема; коротко её разбирает материал про влияние углерода на свойства стали. Для цементации же действует правило: чем меньше углерода в исходной стали, тем нагляднее контраст между коркой и сердцевиной.

Виды цементации по среде

По агрегатному состоянию насыщающей среды (карбюризатора) различают три основных вида цементации. Они дают похожий результат, но различаются скоростью, управляемостью и областью применения.

Рассчитать для своей задачи

• Твёрдая (в твёрдом карбюризаторе). Деталь укладывают в ящик с древесным углём и активаторами (карбонаты бария, натрия) и нагревают. Самый старый и простой способ, не требует сложного оборудования, но медленный и плохо управляемый по концентрации.
• Газовая. Насыщение идёт в атмосфере углеводородов (природный газ, пропан-бутан, эндогаз). Это основной промышленный способ: процесс быстрый, концентрацию углерода на поверхности можно точно регулировать составом газа, легко автоматизируется и встраивается в поточные линии.
• Жидкостная. Деталь погружают в расплав солей, содержащих углеродосодержащие компоненты. Обеспечивает быстрый и равномерный нагрев, удобна для мелких деталей, но связана с вредными расплавами и применяется реже.

Углерод можно вводить и вместе с азотом - это уже соседние процессы, нитроцементация и цианирование, со своими режимами и свойствами; их сравнивает отдельный разбор про нитроцементацию и цианирование.

Режимы: температура, время и глубина слоя

Температуру цементации выбирают в диапазоне 900–950 °C - это надёжно выше точки $Ac_3$, металл полностью переходит в аустенит, а диффузия углерода идёт достаточно быстро. Поднимать температуру сильно выше нежелательно: растёт зерно и портится сердцевина.

Глубина слоя растёт по закону диффузии - примерно пропорционально корню из времени. Это значит, что удвоение глубины требует учетверения времени, поэтому толстые слои получаются долго. Ориентировочную зависимость глубины $x$ от длительности $\tau$ часто записывают как

$x \approx k\sqrt{\tau},$

где коэффициент $k$ зависит от температуры и состава среды. На практике при 920–930 °C получают примерно 0,1–0,15 мм слоя за час. Для слоя 1 мм требуется около 6–10 часов выдержки в зависимости от способа и марки стали.

Обработка после цементации

Цементация - только первый этап. Сразу после неё деталь имеет науглероженную, но не твёрдую поверхность. Чтобы получить рабочие свойства, проводят термообработку:

1. Закалка. Деталь нагревают и резко охлаждают; науглероженный слой превращается в высокоуглеродистый мартенсит с твёрдостью 58–62 HRC, а низкоуглеродистая сердцевина даёт мягкую вязкую структуру. Выбор закалочной среды критичен - об этом материал про охлаждающие среды при закалке.
2. Низкий отпуск. Нагрев до 160–200 °C снимает внутренние напряжения после закалки и слегка повышает вязкость слоя, почти не теряя твёрдости.

Иногда применяют двойную закалку: первую - для исправления зерна сердцевины, вторую - для получения твёрдости слоя. Для ответственных деталей это оправдано, для массовых - обходятся одной закалкой прямо с температуры цементации (для газового процесса).

Где цементацию заменяют другими методами

Цементация эффективна там, где нужен глубокий износостойкий слой на низкоуглеродистой стали. Но это не единственный путь к твёрдой поверхности. Если сталь уже среднеуглеродистая (0,4–0,5 %), поверхность упрочняют без насыщения - локальным нагревом и закалкой, как в технологии поверхностной закалки ТВЧ. Цементация и азотирование, в свою очередь, входят в общую систему методов, которую систематизирует обзор видов химико-термической обработки сталей. Выбор между ними определяется маркой стали, требуемой глубиной слоя, точностью детали и допустимым короблением.

Частые ошибки

• Цементировать высокоуглеродистую сталь. Тогда сердцевина после закалки тоже становится твёрдой и хрупкой, теряется главный смысл процесса. Под цементацию - только стали с углеродом до 0,25 %.
• Считать, что цементация сама даёт твёрдость. После насыщения поверхность мягкая; твёрдость появляется только после закалки. Пропуск термообработки сводит результат к нулю.
• Назначать выдержку «с запасом». Лишнее время не только дорого, но и растит зерно и переуглероживает поверхность, делая слой хрупким.
• Игнорировать отпуск. Без низкого отпуска в слое остаются закалочные напряжения, деталь склонна к трещинам и сколам.
• Брать одинаковую глубину для всех деталей. Тонкому валику нужен тонкий слой, тяжелонагруженному зубу - толстый; единый режим портит то одно, то другое.

FAQ

До какой твёрдости упрочняется поверхность после цементации и закалки? Обычно до 58–62 HRC на поверхности при вязкой сердцевине 30–45 HRC. Конкретные значения зависят от марки стали, концентрации углерода в слое и режима закалки с отпуском.

Чем цементация отличается от азотирования? Цементация насыщает поверхность углеродом при 900–950 °C с обязательной последующей закалкой. Азотирование вводит азот при более низких температурах (500–600 °C) и не требует закалки, но даёт более тонкий слой и меньшее коробление. Цементацию выбирают ради глубокого слоя и высокой контактной выносливости.

Можно ли цементировать готовую закалённую деталь? Нет смысла: цементация идёт при высокой температуре, которая снимет прежнюю закалку. Правильный порядок - сначала насыщение углеродом, затем закалка и отпуск. Участки, которые не должны науглероживаться, защищают пастами или омеднением.

Коротко

Цементация стали - это насыщение поверхности низкоуглеродистой детали углеродом при 900–950 °C с последующей закалкой и низким отпуском. В результате получается твёрдая износостойкая корка (58–62 HRC) на вязкой сердцевине. Технологию реализуют тремя способами - твёрдым, газовым и жидкостным; глубину слоя 0,5–2,0 мм задают температурой и временем, помня, что рост слоя идёт по корню из времени. Главное - брать сталь с углеродом до 0,25 %, не пропускать закалку и обязательно делать отпуск.