Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Цементация стали — процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стальных деталей углеродом при температурах, при которых сталь находится в аустенитном состоянии (выше точки Ас3). Цель цементации — получение деталей с твёрдой износостойкой поверхностью (HRC 58...64 после закалки) при сохранении вязкой и пластичной сердцевины. Процесс широко применяется в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении для обработки шестерён, валов, пальцев, крестовин, кулачков распредвалов и других деталей, работающих в условиях контактного износа и динамических нагрузок.
При температуре цементации (обычно 900...950 °C) аустенит способен растворять значительное количество углерода — до 2,0% по диаграмме Fe–Fe3C. Атомарный углерод, выделяющийся из карбюризатора (твёрдого, газообразного, жидкого), адсорбируется на поверхности стали и диффундирует вглубь. Концентрация углерода в поверхностном слое после цементации обычно составляет 0,8...1,2%, при этом она плавно снижается по глубине до исходного содержания углерода в сердцевине (0,10...0,25%).
Окончательные свойства деталей формируются при последующей термической обработке: закалке (образование мартенсита в науглероженном слое) и низком отпуске (150...200 °C) для снятия внутренних напряжений. В результате поверхность приобретает твёрдость HRC 58...64, а сердцевина сохраняет твёрдость HRC 30...45 в зависимости от марки стали.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (0,08...0,25%), обеспечивающим вязкую сердцевину после закалки. Выбор марки стали определяется размерами детали, требованиями к прочности сердцевины и глубиной прокаливаемости.
Правило подбора стали: чем крупнее деталь и выше требования к прочности сердцевины, тем более легированную сталь с глубокой прокаливаемостью следует выбирать. Углеродистые стали (10, 15, 20) прокаливаются на малую глубину и применяются для мелких деталей. Хромоникелевые (12ХН3А, 20Х2Н4А) обеспечивают сквозную прокаливаемость крупных сечений.
Глубина цементованного слоя зависит от температуры, времени выдержки и метода цементации. Диффузионное насыщение подчиняется параболическому закону: глубина слоя приблизительно пропорциональна корню квадратному из времени.
Данные приведены для конструкционных легированных сталей типа 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А. Углеродный потенциал атмосферы 0,9...1,1%. Глубина слоя определяется металлографически до зоны с содержанием углерода 0,4%.
Время указано от момента достижения рабочей температуры в центре садки (без учёта прогрева ящика). Прогрев ящика занимает дополнительно 7...9 мин на 1 см минимального размера.
Приближённая оценка глубины слоя: при стандартном режиме (920...930 °C) скорость насыщения составляет примерно 0,1 мм/ч. Для слоя 1,0 мм — выдержка около 10 ч, для 1,5 мм — около 15 ч. При повышении температуры до 1000 °C время сокращается примерно вдвое.
Газовая цементация — основной метод в серийном и массовом производстве. Процесс осуществляется в среде газов, содержащих углерод: природном газе (метане), эндотермической атмосфере с добавкой обогатительного газа (пропана, бутана) или продуктах пиролиза жидких углеводородов (керосин, синтин).
Газовая цементация позволяет точно регулировать углеродный потенциал атмосферы, обеспечивает равномерность насыщения и возможность закалки непосредственно из печи (подстуживание до температуры закалки). Процесс ведётся в камерных, толкательных или конвейерных печах с контролируемой атмосферой. Контроль углеродного потенциала осуществляется по точке росы, содержанию CO2 (инфракрасный анализатор) или кислородному зонду.
Твёрдая цементация (в ящиках) — классический метод, применяемый в мелкосерийном и единичном производстве. Детали укладываются в стальные ящики, пересыпаются карбюризатором (смесь древесного угля 60...70% и активаторов: BaCO3 20...35%, CaCO3 3...5%). Ящики герметизируются огнеупорной глиной и загружаются в камерную печь.
Недостатки твёрдой цементации: длительность процесса (с учётом прогрева ящиков), невозможность точного регулирования углеродного потенциала, трудоёмкость упаковки/распаковки, необходимость повторной термообработки (закалка с повторного нагрева). Достоинства: простота оборудования, отсутствие необходимости в газовых системах, пригодность для крупногабаритных деталей.
Жидкостная цементация проводится в расплавах солей, содержащих углерод. Типичный состав ванны: 75...80% Na2CO3 (кальцинированная сода) + 10...15% NaCl + 5...10% SiC (карбид кремния, как источник углерода). Температура процесса — 830...860 °C.
Глубина науглероживания при жидкостной цементации невелика — обычно не превышает 0,5 мм. Метод применяется для мелких деталей, где требуется неглубокий, но равномерный слой. Недостатки: агрессивность расплавов, необходимость утилизации солей, экологические ограничения.
Вакуумная цементация (LPC — Low Pressure Carburizing) проводится в вакуумных печах при давлении 5...20 мбар с использованием ацетилена (C2H2) или пропана (C3H8) в качестве углеродсодержащего газа. Процесс включает чередование коротких импульсов подачи газа (стадии насыщения, boost) и стадий диффузии (без подачи газа).
Преимущества вакуумной цементации: отсутствие окисления и обезуглероживания поверхности, возможность работы при температурах 1000...1050 °C (ускорение процесса в 2...3 раза), равномерность насыщения глухих отверстий и сложных поверхностей, экологическая чистота (отсутствие эндогаза), точный контроль профиля углерода. Метод активно применяется для ответственных деталей авиационного и автомобильного назначения.
Плазменная цементация выполняется в тлеющем разряде при давлении 1...10 мбар. Деталь является катодом, камера — анодом. Ионы газа-карбюризатора бомбардируют поверхность, обеспечивая локальный нагрев и активизацию диффузии углерода. Температура процесса — 900...1050 °C. Метод обеспечивает минимальные деформации и высокую равномерность слоя, но требует дорогостоящего оборудования. Применяется для прецизионных деталей.
Сама по себе цементация не обеспечивает высокой твёрдости поверхности — для этого необходима последующая закалка. Схема термообработки зависит от марки стали, метода цементации и требований к деталям.
Качество цементации контролируется по нескольким показателям согласно требованиям ГОСТ 20787-75 и ГОСТ Р 51629-2000.
Глубина цементованного слоя определяется металлографически на образцах-свидетелях как расстояние от поверхности до зоны, содержащей 0,4% углерода (при травлении — граница перехода от мартенситной к ферритно-перлитной структуре).
Стандартная температура газовой цементации — 910...950 °C. При этой температуре аустенит растворяет значительное количество углерода, обеспечивается приемлемая скорость диффузии (~0,1 мм/ч), и зерно аустенита не вырастает чрезмерно. Для ускорения процесса температуру повышают до 1000...1050 °C, но только для наследственно мелкозернистых сталей (например, с добавками Ti, V, Nb) и при обязательной последующей перекристаллизации. Для твёрдой цементации оптимальная температура — 900...950 °C.
При стандартной температуре газовой цементации (920 °C) для получения слоя глубиной 1,0...1,3 мм требуется 12...15 часов выдержки. При повышении температуры до 1000 °C время сокращается до 6...8 часов. При вакуумной цементации при 1000 °C слой 1,0 мм достигается за 3...5 часов благодаря более высокой активности углерода и отсутствию побочных реакций. При твёрдой цементации при 920 °C для слоя 1 мм необходимо около 10 часов выдержки после полного прогрева ящика.
Для цементации применяют стали с содержанием углерода 0,08...0,25%. Углеродистые стали 10, 15, 20 — для мелких деталей. Хромистые 15Х, 20Х — для деталей средних размеров. Хромомарганцевотитановые 18ХГТ, 25ХГТ — для шестерён и валов (автомобилестроение). Хромоникелевые 12ХН3А, 20ХН3А — для крупных ответственных деталей. Хромоникельмолибденовые 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А — для тяжелонагруженных деталей авиации и судостроения. Чем крупнее деталь, тем более легированная сталь с высокой прокаливаемостью требуется.
Вакуумная цементация (LPC) обеспечивает: отсутствие внутреннего окисления (ВОК), что критично для хромомарганцевых сталей; возможность работы при температурах 1000...1050 °C без риска грубого роста зерна; более равномерное насыщение глухих отверстий и зубьев шестерён; экологическую чистоту (нет эндогаза и CO); сокращение длительности процесса в 2...3 раза; возможность газовой закалки (азот, гелий) с минимальными деформациями. Ограничение — высокие капитальные затраты на оборудование.
Да, закалка после цементации обязательна для достижения высокой твёрдости поверхности. Без закалки науглероженный слой имеет структуру перлита + избыточного цементита с твёрдостью не более HRC 25...35. Только закалка (образование мартенсита) обеспечивает твёрдость HRC 58...64. После закалки выполняется низкий отпуск (150...200 °C) для снятия внутренних напряжений без существенного снижения твёрдости.
Углеродный потенциал (Cp) — это равновесная концентрация углерода, которую приобрела бы поверхность чистого железа в данной атмосфере при данной температуре. При газовой цементации Cp на стадии насыщения устанавливают 1,0...1,2%, на стадии диффузии — 0,7...0,9%. Контроль осуществляется тремя методами: по точке росы (зависимость Cp от температуры точки росы и температуры печи), по содержанию CO2 (инфракрасный анализатор), по ЭДС кислородного зонда (наиболее точный и быстрый метод).
Глубину цементованного слоя определяют на образцах-свидетелях (из той же марки стали, прошедших цементацию в одной садке) двумя основными методами. Металлографический: на поперечном микрошлифе после травления (обычно 3...5% раствор азотной кислоты в спирте) граница слоя видна как переход от структуры мартенсита к ферритно-перлитной структуре. По микротвёрдости: определяется глубина до зоны с HV 550 (примерно HRC 50) или до зоны с содержанием углерода 0,4%. Методы регламентированы ГОСТ 20787-75.
Цементитная сетка (вторичный цементит по границам зёрен) образуется при перенасыщении поверхности углеродом свыше 1,2...1,3%. Причины: завышенный углеродный потенциал атмосферы, чрезмерная длительность стадии насыщения, неисправность системы контроля Cp. Для предотвращения: углеродный потенциал на стадии насыщения не должен превышать 1,1%; обязательна стадия диффузии (снижение Cp до 0,7...0,9%). Если цементитная сетка уже образовалась, её устраняют многократной нормализацией (нагрев до 880...900 °C, охлаждение на воздухе), но это удлиняет технологический цикл.
После цементации, закалки и низкого отпуска (150...200 °C) твёрдость поверхности составляет HRC 58...64, что соответствует структуре мартенсита отпуска с мелкодисперсными карбидами. Конкретное значение зависит от содержания углерода в поверхностном слое (оптимально 0,8...1,0%), наличия остаточного аустенита (должно быть менее 15...20%), марки стали и режима закалки. Для достижения максимальной твёрдости содержание углерода в слое не должно превышать 1,0...1,1% — при более высоком содержании увеличивается доля остаточного аустенита, снижающего твёрдость.
Отказ от ответственности. Данная статья носит исключительно ознакомительный и справочный характер. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия, прямые или косвенные, связанные с использованием представленной информации. При разработке технологических процессов цементации и термообработки необходимо руководствоваться действующими нормативными документами, техническими условиями на конкретные детали и рекомендациями производителей оборудования. Все технические решения должны приниматься квалифицированными специалистами-термистами.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.