Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Цементируемая или улучшаемая сталь — выбор между ними определяется в первую очередь содержанием углерода, видом термической обработки и требованиями к сочетанию свойств в поверхностном слое и сердцевине детали. Цементируемые стали — низкоуглеродистые, упрочняемые химико-термической обработкой (ХТО) с насыщением поверхности углеродом и последующей закалкой; улучшаемые — среднеуглеродистые, упрочняемые «улучшением», то есть закалкой с высоким отпуском. В этом материале разберём, чем эти классы различаются на уровне химсостава, структуры, термообработки, твёрдости и применения, и как выбрать сталь под конкретный узел.
Базовый документ для выбора легированных конструкционных сталей этих классов — ГОСТ 4543-2016 (взамен ГОСТ 4543-71, введён с 01.10.2017). Для нелегированных конструкционных качественных сталей действует ГОСТ 1050-2013 (взамен ГОСТ 1050-88).
Разница между цементируемой и улучшаемой сталью лежит в трёх плоскостях.
Цементируемая сталь решает задачу «твёрдая корка плюс вязкая сердцевина» через изменение химсостава поверхности; улучшаемая — задачу равномерной прочности и вязкости по всему сечению через термообработку без изменения состава.
К цементируемым относятся низкоуглеродистые стали с содержанием углерода обычно не выше 0,25 %. Низкий уровень углерода — обязательное условие: только при нём сердцевина после закалки остаётся вязкой, а поверхностный слой после насыщения углеродом получает достаточную твёрдость.
Легирование хромом, никелем, марганцем, молибденом, титаном и бором решает несколько задач: повышает прокаливаемость, измельчает зерно (особенно за счёт титана), предотвращает рост зерна при длительной выдержке в цементационной среде, повышает свойства сердцевины после закалки. Самые ответственные узлы (зубчатые колёса коробок передач тяжёлой техники, шестерни редукторов высоконагруженных приводов) выполняются из сталей с большим содержанием никеля — 18Х2Н4МА и аналогов.
Цементация — поверхностное диффузионное насыщение стали углеродом с целью повышения твёрдости и износоустойчивости. По типу карбюризатора различают цементацию в твёрдой среде и газовую цементацию; современный массовый процесс — газовая цементация в проходных или муфельных печах с контролируемой атмосферой.
Цементация сама по себе только насыщает поверхность углеродом — твёрдость достигается уже последующей закалкой. Низкий отпуск после закалки снимает закалочные напряжения, оставляя твёрдость практически без снижения. Глубина и распределение углерода в слое регулируются температурой процесса, временем выдержки, активностью атмосферы (для газовой цементации).
Длительная выдержка при цементационных температурах приводит к росту аустенитного зерна, что снижает свойства сердцевины. Для предотвращения этого выбирают наследственно мелкозернистые стали (марки с титаном и алюминием) или применяют последующий повторный нагрев и закалку с перекристаллизацией.
К улучшаемым относят среднеуглеродистые стали с содержанием углерода ориентировочно 0,30-0,50 %. Такое содержание углерода даёт сочетание: после закалки и высокого отпуска сталь приобретает структуру сорбита отпуска с балансом прочности, пластичности и ударной вязкости.
Для углеродистых сталей улучшение даёт ограниченную прокаливаемость и применяется на сечениях небольшого диаметра; для деталей крупных сечений и ответственных узлов используют легированные улучшаемые стали — за счёт легирования прокаливаемость растёт, а структура сорбита отпуска формируется на всю глубину сечения.
Улучшение — двойная термическая обработка железоуглеродистых сплавов, заключающаяся в закалке на мартенсит с последующим высоким отпуском. Цель — получить структуру сорбита отпуска, обеспечивающую оптимальное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.
В отличие от низкого отпуска, применяемого после закалки цементируемых сталей (где требуется сохранить твёрдость), при высоком отпуске мартенсит закалки распадается с укрупнением карбидных частиц до структуры сорбита отпуска. Твёрдость существенно снижается, но при этом резко возрастают пластичность и ударная вязкость — это и есть «улучшение» свойств для деталей, работающих под динамическими и знакопеременными нагрузками.
Иллюстрация различия в температурах отпуска. После закалки цементованной поверхности проводят низкий отпуск при около 150-200 °C — твёрдость сохраняется на уровне 58-62 HRC. После закалки улучшаемой стали проводят высокий отпуск при 500-650 °C — деталь получает структуру сорбита отпуска и твёрдость порядка 200-320 HB (в зависимости от марки) при существенно более высокой вязкости.
Главное отличие двух классов проявляется в распределении свойств по сечению готовой детали.
Жёсткая привязка марки к классу относительна: класс назначается по фактически выбранной технологии упрочнения и условиям работы конкретной детали, а не «по умолчанию», исходя только из марки. Однако содержание углерода ограничивает выбор: низкоуглеродистые марки нельзя эффективно «улучшить» (закалка не даст роста прочности), а среднеуглеродистые при цементации образуют хрупкую сердцевину.
Иллюстративный выбор. Зубчатое колесо коробки передач, нагрузка контактно-усталостная, требуется высокая поверхностная твёрдость и вязкая сердцевина. Решение — цементируемая легированная сталь 18ХГТ или 20ХН3А; технология — газовая цементация на заданную глубину, закалка, низкий отпуск, шлифование зубьев в окончательный размер. Для коленчатого вала двигателя той же машины с преобладанием знакопеременного изгиба — улучшаемая сталь 40Х или 40ХН (для крупных сечений — 40ХН2МА); технология — закалка с последующим высоким отпуском, при необходимости — поверхностная закалка ТВЧ шеек вала.
Содержанием углерода и видом упрочнения. Цементируемые — низкоуглеродистые (обычно ≤ 0,25 % C), упрочняются химико-термической обработкой (цементацией) с насыщением поверхности углеродом и последующей закалкой; на выходе — твёрдая поверхность и вязкая сердцевина. Улучшаемые — среднеуглеродистые (0,30-0,50 % C), упрочняются объёмной закалкой с высоким отпуском (улучшением); структура сорбита отпуска формируется по всему сечению.
Из нелегированных конструкционных качественных по ГОСТ 1050-2013 — стали 15, 20, 25. Из легированных по ГОСТ 4543-2016 — 15Х, 20Х, 15ХА, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХН, 12ХН3А, 20ХН3А, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, 20Х2Н4А, 20ХГР, 20ХГНР и другие низкоуглеродистые легированные.
Из нелегированных конструкционных качественных по ГОСТ 1050-2013 — стали 30, 35, 40, 45, 50. Из легированных по ГОСТ 4543-2016 — 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х, 30ХГСА, 35ХГСА, 30ХМ, 38ХМ, 40ХН, 45ХН, 40ХН2МА, 38ХН3МА и другие среднеуглеродистые легированные.
После цементации, закалки и низкого отпуска поверхностная твёрдость составляет порядка 58-62 HRC на легированных сталях и до 60-64 HRC на низкоуглеродистых. Сердцевина остаётся существенно более мягкой и вязкой — её твёрдость зависит от марки и прокаливаемости.
Сорбит отпуска как конечная структура улучшаемой стали даёт ориентировочно 200-260 HB на углеродистых марках (40, 45) и 220-320 HB на легированных (40Х, 30ХГСА, 40ХН2МА и подобные). Конкретное значение зависит от марки и температуры высокого отпуска. Главная ценность улучшения — не максимальная твёрдость, а сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.
В твёрдом карбюризаторе обычно 900-950 °C; при газовой цементации с контролируемой атмосферой — обычно 850-900 °C. Часть промышленных режимов высокотемпературной газовой цементации идёт выше — это сокращает время выдержки, но требует наследственно мелкозернистых сталей для предотвращения роста зерна.
Около 500-650 °C. Конкретная температура назначается по марке стали и требуемому соотношению прочности и вязкости: чем выше отпуск, тем мягче и вязче деталь.
По характеру нагрузки и требуемому распределению свойств. Если нужна твёрдая поверхность при вязкой сердцевине (зубчатые колёса, валы-шестерни, пальцы) — цементируемая сталь. Если нужен равномерный баланс прочности и вязкости по сечению (оси, валы, шатуны, коленчатые валы) — улучшаемая. Сечение детали определяет, можно ли обойтись углеродистой маркой или нужна легированная с лучшей прокаливаемостью.
Класс определяется не маркой как таковой, а назначаемой технологией. Однако содержание углерода жёстко разделяет: низкоуглеродистые стали невозможно эффективно «улучшить» закалкой с высоким отпуском (не получится упрочнение), а среднеуглеродистые при цементации дают хрупкую сердцевину. Поэтому фактически марки одной группы под другую технологию не назначают.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.