Цементация стали: процесс, преимущества и области применения

Цементация поверхности стали применяется там, где критична износостойкость без закалки детали по всему сечению. После обработки:

— поверхность становится более твёрдой, стойкой к трению;

— сердцевина сохраняет вязкость. 

Это важно для шестерён, валов, втулок, других элементов передач.

Что такое цементация стали?

Это насыщение поверхности стали углеродом с последующей термообработкой. В результате меняются свойства именно наружного слоя. А внутренняя часть остаётся вязкой, прочной.

Цементация металла — что это такое в практическом применении: способ повысить износостойкость рабочей поверхности без упрочнения всего сечения. Такой подход позволяет металлу (без разрушения сердцевины) выдерживать:

• контактные нагрузки;
• трение;
• удары.

Метод применяется для изделий, где важны:

— высокая твёрдость наружного слоя;

— износоустойчивость;

— сохранение прочности, пластичности основы.

После насыщения углеродом деталь проходит закалку, отпуск. Сочетание этих этапов формирует нужный баланс свойств, поэтому процесс связан с правильным режимом обработки, маркой стали.

В отличие от обычной закалки, метод используется не для упрочнения всего металла, а для образования прочного слоя заданной глубины. Это делает процесс востребованным в машиностроении, производстве ответственных деталей.

Преимущества

Повысить износостойкость металла при сохранении прочности одной закалкой невозможно из-за риска хрупкости. Поэтому применяют данный метод.

Преимущества:

• твёрдость поверхностного слоя после цементации, закалки доходит до значений 58–64 HRC. Результат зависит от марки стали, режима обработки;
• толщина цементированного слоя достигает 0,5–2,0 мм. Этого достаточно для большинства зубчатых передач, валов;
• сердцевина остаётся прочной, сохраняя ударную вязкость из-за низкого содержания углерода;
• износостойкость увеличивается в несколько раз (по сравнению с необработанной сталью);
• контактная выносливость повышается. Это важно для шестерён, кулачков, втулок.

При правильных параметрах обработки поверхность становится твёрже. При этом внутренняя часть металла остаётся работоспособной при ударных нагрузках.

Для получения качественного результата важен режим обработки. При повышении температуры, увеличении времени выдержки возрастает глубина слоя, но при этом растёт риск деформаций. Важно подбирать режимы с учётом допустимых допусков на геометрию детали.

Применение цементируемых сталей с содержанием углерода порядка 0,1–0,25% позволяет использовать более дешёвые материалы, получая требуемые свойства только в рабочей зоне поверхности.

Метод используют для серийного производства, где важны:

— повторяемость характеристик;

— стабильное качество.

Как проходит процесс цементации стали?

Процесс состоит из нескольких этапов. Каждый из них влияет на глубину упрочнённого слоя, конечную твёрдость.

1. Нагрев детали.

При нагреве до 900–950 °C сталь переходит в аустенитное состояние. Это нужно для того, чтобы стало возможным проникновение атомов углерода в поверхность металла. Температура подбирается с учётом марки, глубины слоя.

2. Насыщение углеродом.

Поверхность стали контактирует с углеродсодержащей средой. Такой как:

— газ;

— твёрдый карбюризатор;

— жидкость.

Скорость насыщения (в среднем):

— за 1 час формируется слой порядка 0,2–0,3 мм;

— для слоя 1,0 мм требуется 4–6 часов выдержки.

3. Закалка.

Этот этап фиксирует высокоуглеродистую структуру. Именно здесь формируется повышенная твёрдость.

После закалки цементация стали даёт твёрдость в диапазоне 58–64 HRC.

4. Отпуск.

Отпуск проводят при температуре 150–200 °C, снижая внутренние напряжения, уменьшая риск растрескивания. При этом твёрдость поверхности практически не снижается.

Режимы подбирают индивидуально. Они включают:

• температуру обработки;
• продолжительность выдержки;
• глубину цементированного слоя;
• последующую закалку, отпуск.

Нарушение режима приводит либо к недостаточной твёрдости, либо к деформациям. Это критично для нагруженных деталей, поэтому процесс требует точного контроля.

Виды цементации стали

Виды отличаются:

• средой насыщения;
• точностью контроля процесса;
• областью применения.

Выбор метода зависит от требований к глубине слоя, твёрдости, стабильности размеров детали.

Независимо от выбранного метода, режимы подбирают с учётом марки материала, условий работы металла.

Применение

Основная задача — увеличить износостойкость без потери прочности металла в целом. Её применяют для деталей, которые работают в условиях:

• трения;
• контактных нагрузок;
• переменных усилий.

В машиностроении цементации подвергают детали передач, узлы трения. Чаще всего это:

— зубчатые колёса, шестерни;

— валы, оси;

— кулачки, втулки.

В автомобильной отрасли метод применяется для элементов трансмиссии, силовых узлов. Обработке подвергаются:

— шестерни коробок передач;

— элементы дифференциалов;

— распределительные, приводные валы.

Это позволяет повысить ресурс металла без увеличения его массы, габаритов.

В производстве промышленного оборудования цементация применяется для деталей, работающих в непрерывном режиме, подверженных износу. Например, элементы:

— редукторов;

— приводов;

— механизмов.

В отдельных случаях цементация используется для:

— инструмента, специализированных деталей;

— если нужна твёрдая рабочая поверхность, прочная основа.При этом режимы цементации стали подбираются особенно точно, чтобы не допустить деформацию.

Цементация: какие стали подходят для обработки

Процесс рассчитан на марки с низким содержанием углерода. После насыщения углеродом они сохраняют прочную, вязкую сердцевину.

Такие стали содержат:

— углерод в пределах 0,08–0,25%;

— легирующие элементы, повышающие прокаливаемость и прочность сердцевины.

Низкое содержание углерода в исходном состоянии позволяет избежать хрупкости, трещин после закалки.

Какие стали цементируемые:

• низкоуглеродистые углеродистые;
• низколегированные с добавками хрома, никеля, марганца.

Такие материалы хорошо переносят цементацию, последующую закалку, обеспечивая стабильные характеристики.

Цементируемые стали: марки.

Примеры, которые чаще применяют на практике:

• 20, 15, 10 — углеродистые общего назначения;
• 20Х, 20ХН, 18ХГТ — легированные цементируемые;
• 12ХН3А, 20Х2Н4А — для деталей с повышенными требованиями к прочности.

Выбор зависит от нагрузки, размеров проката, требуемой глубины цементированного слоя.

Не рекомендуется цементировать марки:

— высокоуглеродистые;

— инструментальные;

— с содержанием углерода выше 0,4%.

В этих случаях упрочнение не даёт нужного эффекта или приводит к хрупкости.

Когда цементация стали не подходит?

Метод используется не во всех случаях. Процесс эффективен для упрочнения поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины. В ряде ситуаций он может быть нецелесообразным или неоправданным технически.

Не подходит, когда:

— нужна высокая твёрдость по всему сечению, а не только на поверхности;

— деталь имеет тонкие стенки или сложную форму, чувствительную к деформациям;

— используется высокоуглеродистая или инструментальная марка;

— важна минимальная деформация без последующей механической обработки;

— требуется высокая стабильность размеров при минимальной глубине упрочнения.

Когда не подходит цементация стали, азотирование стали выступает альтернативой. Оно создаёт меньшую глубину упрочнённого слоя. При этом отличается более низкими температурами обработки, минимальными деформациями. Азотирование применимо для точных изделий с жёсткими допусками.

Выбор технологии всегда зависит от:

— условий эксплуатации;

— формы детали;

— требований к рабочей поверхности.

Поэтому перед обработкой важно понимать, какой метод упрочнения будет оптимальным.

«МТК «МАЗПРОМ» поставляет углеродистые и легированные стали. В наличии прокат различных сечений с подтверждением химического состава, механических свойств.

Поделиться: