Цементация металла – это вид термической обработки металлов с использованием дополнительного химического воздействия. Атомарный углерод внедряется в поверхностный слой, тем самым его насыщая. Насыщение стали углеродом, приводит к упрочнению обогащенного слоя.

Целью цементации является получение твердой износостойкой поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8–1,2 % и последующей закалкой с низким отпуском. Цементация и последующая термическая обработка одновременно повышают износостойкость и предел выносливости.

Для цементации обычно используют стали с содержанием углерода 0,1–0,3% различного легирования. Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки сталей.

Методы цементации

Современные технологии позволяют проводить процессы цементации в следующих условиях:

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

Цементация в твердой среде

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

Наибольшей популярностью пользуются следующие карбюризаторы:

• березовый древесный уголь;
• дубовый древесный уголь.

Иногда применяют их смесь. 

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. 

Цементация в газовой среде

Газовая цементация – основной процесс при массовом производстве, а цементацию в твердом карбюризаторе используют в мелкосерийном производстве. Глубина цементации в зависимости от назначения изделия и состава стали обычно находится в пределах 0,5–2,00 мм. Цементацию проводят при 910–950 ºС или для ускорения процесса при 1000–1050 ºС. С повышением температуры уменьшается время достижения заданной глубины цементации. Так, при газовой цементации науглероженный слой толщиной 1,0–1,3 мм получают при 920 ºС за 15 ч., а при 1000 ºС – за 8 ч. Чтобы предотвратить сильный рост аустенитного зерна, высокотемпературной цементации подвергают наследственно мелкозернистые стали (НМЗС). Также перегрев после цементации можно исправить последующей полной перекристаллизацией сплава при закалке с повторного нагрева. Концентрация углерода в поверхностном слое изделия обычно составляет 0,8–1,5 %.

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

• повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;
• сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы;
• сокращается потребность в жаростойком материале;
• появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;
• уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;
• улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;
• появляется возможность закалки деталей непосредственно после цементации;
• позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс.

Цементация 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. 

Цементация в вакууме

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. 

Цементация 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. 

Цементация 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.