Цементация или науглероживание — это процесс введения углерода на поверхность изделия из низкоуглеродистого железа или, что гораздо чаще, низкоуглеродистой стали с целью упрочнения поверхности.
Железо, в котором содержание углерода превышает ~0,02%, известно как сталь. Сталь, в которой содержание углерода превышает ~0,25%, можно подвергнуть прямой закалке путем нагревания до температуры около 600 °C, а затем быстрого охлаждения, часто путем погружения в воду, что известно как закалка . Закалка желательна для металлических компонентов, поскольку она обеспечивает повышенную прочность и износостойкость, но при этом закаленная сталь обычно более хрупкая и менее пластичная, чем в более мягком состоянии.
Чтобы создать твердую корку на сталях, содержащих менее ~0,2% углерода, углерод можно ввести в поверхность путем нагрева стали в присутствии какого-либо богатого углеродом вещества, такого как порошкообразный уголь или углеводородный газ. Это заставляет углерод диффундировать в поверхность стали. Глубина этого высокоуглеродистого слоя зависит от времени воздействия, но типичная глубина составляет 0,5 мм. После этого сталь необходимо нагреть и закалить, чтобы закалить эту высокоуглеродистую «корку». Под этой коркой стальной сердечник останется мягким из-за низкого содержания углерода.
На ранних этапах выплавки железа использовались кричники , которые превращали железную руду в металлическое железо, нагревая ее в печи, в которой сжигали древесину и древесный уголь. Поскольку температуры, которых можно было достичь этим методом, обычно были ниже температуры плавления железа, оно не плавилось по-настоящему, а вместо этого превращалось в губчатую металлическую железо/шлаковую матрицу. Затем эту матрицу требовалось повторно нагреть и проковать, чтобы извлечь как можно больше шлака, чтобы получить низкоуглеродистое ковкое кованое железо, которое затем можно было бы выковать в инструменты и т. д. Из-за низкого содержания углерода кованое железо довольно мягкое, поэтому что-то вроде лезвия ножа нельзя было поддерживать очень острым; оно быстро тупилось и легко гнулось.
По мере совершенствования методов плавки можно было достичь более высоких температур в печи, достаточных для полного расплавления железа. Однако в процессе железо впитывало углерод из древесного угля или кокса, используемых для его нагрева. Это приводило к получению расплавленного железа с содержанием углерода около 3%, которое называлось чугуном . Этот жидкий чугун можно было отливать в сложные формы, но из-за высокого содержания углерода он был очень хрупким, совсем не поддавался обработке и совершенно не подходил для чего-то вроде лезвия ножа. Требовалась дальнейшая обработка, чтобы удалить из чугуна избыток углерода и создать ковкое кованое железо (конечными разработками в этой области стали конвертер Бессемера и процесс Сименса ).
После удаления почти всего углерода из чугуна получился металл, который был очень ковким и пластичным , но не очень твердым и не поддавался закалке путем нагрева и закалки. Это привело к появлению поверхностной закалки. Полученный в результате поверхностной закалки продукт сочетает в себе большую часть пластичности и прочности низкоуглеродистого стального сердечника с твердостью и упругостью внешнего слоя высокоуглеродистой стали.
Традиционный метод нанесения углерода на поверхность железа включал упаковку железа в смесь богатого углеродом материала, такого как молотая кость и древесный уголь или сочетание кожи , копыт , соли и мочи , все внутри хорошо запечатанного ящика («футляра»). Затем этот цементационный пакет нагревают до высокой температуры, но все еще ниже точки плавления железа, и оставляют при этой температуре на некоторое время. Чем дольше пакет удерживается при высокой температуре, тем глубже углерод будет диффундировать в поверхность. Разная глубина закалки желательна для разных целей: острые инструменты нуждаются в глубокой закалке, чтобы можно было шлифовать и затачивать, не обнажая мягкую сердцевину, в то время как детали машин, такие как шестерни, могут нуждаться только в поверхностной закалке для повышения износостойкости.
Полученная закаленная деталь может показывать отчетливое изменение цвета поверхности, если углеродный материал представляет собой смешанное органическое вещество, как описано выше. Сталь значительно темнеет и показывает пятнистый рисунок черного, синего и фиолетового цвета, вызванный различными соединениями, образованными из примесей в кости и древесном угле. Эта оксидная поверхность работает аналогично воронению , обеспечивая определенную степень коррозионной стойкости, а также привлекательную отделку. Окраска корпуса относится к этому рисунку и обычно встречается как декоративная отделка на огнестрельном оружии .
Закаленная сталь сочетает в себе экстремальную твердость и экстремальную прочность, что нелегко обеспечить однородным сплавам, поскольку твердые однородные стали, как правило, хрупкие, особенно те стали, твердость которых зависит только от содержания углерода. Легированные стали, содержащие никель, хром или молибден, могут иметь очень высокие значения твердости, прочности или удлинения, но по более высокой цене, чем закаленная деталь с низкоуглеродистым сердечником.
Сам углерод является твердым при температурах закалки и поэтому неподвижен. Транспортировка к поверхности стали осуществлялась в виде газообразного оксида углерода , образующегося при распаде науглероживающего соединения и кислорода, упакованного в герметичный ящик. Это происходит с чистым углеродом, но слишком медленно, чтобы быть пригодным для обработки. Хотя для этого процесса требуется кислород, он рециркулируется через цикл CO и поэтому может осуществляться внутри герметичного ящика («корпуса»). Герметизация необходима для того, чтобы остановить утечку CO или окисление его до CO2 избыточным наружным воздухом.
Добавление легко разлагаемого карбонатного «активатора», такого как карбонат бария, распадается на BaO + CO 2 , и это стимулирует реакцию:
увеличивая общее содержание CO и активность науглероживающего соединения. [1]
Общеизвестно, что закалка производилась с помощью кости, но это заблуждение. Хотя использовалась кость, основным донором углерода были копыта и рога. Кость содержит некоторые карбонаты, но в основном это фосфат кальция (в виде гидроксилапатита ). Это не оказывает полезного эффекта на стимулирование производства CO, а также может ввести фосфор в качестве примеси в стальной сплав.
Для поверхностной закалки подходят как углеродистые, так и легированные стали ; обычно используются мягкие стали с низким содержанием углерода , обычно менее 0,3% (см. простую углеродистую сталь для получения дополнительной информации). Эти мягкие стали обычно не закаляются из-за низкого количества углерода, поэтому поверхность стали химически изменяется для повышения прокаливаемости. Поверхностно закаленная сталь образуется путем диффузии углерода ( науглероживание ), азота ( азотирование ) или бора ( борирование ) во внешний слой стали при высокой температуре, а затем термической обработки поверхностного слоя до желаемой твердости.
Термин «цементация» происходит от практичности самого процесса цементации, который по сути такой же, как и древний процесс. Стальная заготовка помещается в корпус, плотно набитый цементирующим составом на основе углерода. Это известно как цементационный пакет. Пакет помещается в горячую печь на разное время. Время и температура определяют, насколько глубоко в поверхность проникает закалка. Однако глубина закалки в конечном итоге ограничена неспособностью углерода глубоко диффундировать в твердую сталь, и типичная глубина поверхностной закалки при этом методе составляет до 1,5 мм. В современной цементации также используются другие методы, такие как нагрев в богатой углеродом атмосфере. Небольшие изделия могут быть закалены путем повторного нагрева горелкой и закалки в богатой углеродом среде, такой как коммерческие продукты Kasenit / Casenite или «Cherry Red». Более старые формулы этих соединений содержат потенциально токсичные цианидные соединения, в то время как более поздние типы, такие как Cherry Red, их не содержат. [2] [3]
Пламенная или индукционная закалка — это процессы, при которых поверхность стали очень быстро нагревается до высоких температур (путем прямого воздействия кислородно-газового пламени или индукционного нагрева ), а затем быстро охлаждается, как правило, с использованием воды; это создает «корпус» мартенсита на поверхности. Для этого типа закалки необходимо содержание углерода 0,3–0,6 мас.% C. В отличие от других методов, пламенная или индукционная закалка не изменяет химический состав материала. Поскольку это всего лишь локализованный процесс термообработки, они обычно полезны только для высокоуглеродистых сталей, которые будут в достаточной степени реагировать на закалку.
Типичные применения: дужка замка, где внешний слой закален, чтобы быть устойчивым к напильнику, и механические шестерни, где твердые поверхности зубчатых сеток необходимы для поддержания длительного срока службы, в то время как прочность требуется для поддержания прочности и устойчивости к катастрофическому отказу. Закалка пламенем использует прямое воздействие пламени кислородного газа на определенную область поверхности. Результат процесса закалки контролируется четырьмя факторами:
Науглероживание — это процесс, используемый для поверхностной закалки стали с содержанием углерода от 0,1 до 0,3 мас.% C. В этом процессе железо помещают в богатую углеродом среду при повышенных температурах на определенное время, а затем закаливают так, чтобы углерод закрепился в структуре; одна из самых простых процедур — многократное нагревание детали ацетиленовой горелкой с пламенем, богатым топливом, и закалка ее в богатой углеродом жидкости, например, в масле.
Науглероживание — это процесс, контролируемый диффузией, поэтому чем дольше сталь находится в среде, богатой углеродом, тем больше будет проникновение углерода и тем выше будет содержание углерода. Науглероженный участок будет иметь достаточно высокое содержание углерода, чтобы его можно было снова закалить с помощью закалки пламенем или индукционной закалки.
Можно науглероживать только часть детали, либо защитив остальную часть с помощью такого процесса, как меднение, либо нанеся науглероживающую среду только на часть детали.
Углерод может поступать из твердого, жидкого или газообразного источника; если он поступает из твердого источника, процесс называется цементацией набивкой . Упаковка деталей из низкоуглеродистой стали углеродистым материалом и нагревание в течение некоторого времени рассеивает углерод во внешние слои. Период нагрева в несколько часов может сформировать высокоуглеродистый слой толщиной около одного миллиметра.
Жидкостная цементация подразумевает помещение деталей в ванну с расплавленным углеродсодержащим материалом, часто цианидом металла; газовая цементация подразумевает помещение деталей в печь, в которой поддерживается атмосфера, богатая метаном.
Азотирование нагревает стальную деталь до 482–621 °C (900–1150 °F) в атмосфере газообразного аммиака и диссоциированного аммиака. Время, которое деталь проводит в этой среде, определяет глубину слоя. Твердость достигается за счет образования нитридов. Для работы этого метода должны присутствовать нитридообразующие элементы; к этим элементам относятся хром , молибден и алюминий . Преимущество этого процесса в том, что он вызывает небольшую деформацию, поэтому деталь может быть подвергнута упрочнению после закалки, отпуска и обработки. После азотирования закалка не производится.
Цианирование — это быстрый и эффективный процесс поверхностной закалки; в основном он применяется к низкоуглеродистым сталям. Деталь нагревается до 871–954 °C (1600–1749 °F) в ванне с цианидом натрия , а затем закаливается и промывается в воде или масле для удаления остатков цианида.
Этот процесс создает тонкую, твердую оболочку (от 0,25 до 0,75 мм; от 0,0098 до 0,0295 дюйма), которая тверже, чем та, которая получается при цементации, и может быть завершена за 20–30 минут по сравнению с несколькими часами, поэтому детали имеют меньше возможностей для деформации. Обычно он используется для небольших деталей, таких как болты, гайки, винты и небольшие шестерни. Главным недостатком цианирования является то, что соли цианида ядовиты.
Нитроцементация похожа на цианирование, за исключением того, что вместо цианида натрия используется газообразная атмосфера аммиака и углеводородов. Если деталь должна быть закалена, ее нагревают до 775–885 °C (1427–1625 °F); если нет, то деталь нагревают до 649–788 °C (1200–1450 °F).
Ферритная нитроцементация диффундирует в основном азот и некоторое количество углерода в корпус заготовки ниже критической температуры, приблизительно 650 °C (1202 °F). При критической температуре микроструктура заготовки не переходит в аустенитную фазу, а остается в ферритной фазе, поэтому ее называют ферритной нитроцементацией.
Детали, которые подвергаются высокому давлению и резким ударам, по-прежнему обычно подвергаются закалке. Примерами служат ударники и затворы винтовок , или распределительные валы двигателей . В этих случаях поверхности, требующие твердости, могут быть закалены выборочно, оставляя большую часть детали в ее первоначальном прочном состоянии.
Огнестрельное оружие было обычным предметом, закаленным в прошлом, поскольку оно требовало точной обработки, лучше всего выполняемой на сплавах с низким содержанием углерода, но при этом требовало твердости и износостойкости сплава с более высоким содержанием углерода. Многие современные копии старого огнестрельного оружия, особенно револьверы одинарного действия , по-прежнему изготавливаются с закаленными рамками или с окраской корпуса , которая имитирует пятнистый рисунок, оставленный традиционной закалкой углем и костью.
Другое распространенное применение поверхностной закалки — это винты, особенно самосверлящие винты . Для того чтобы винты могли сверлить, резать и нарезать резьбу в других материалах, таких как сталь, кончик сверла и образующая резьба должны быть тверже, чем материал(ы), в который оно сверлится. Однако, если весь винт однородно твердый, он станет очень хрупким и легко сломается. Это преодолевается путем обеспечения того, чтобы закалялась только поверхность, а сердцевина оставалась относительно более мягкой и, следовательно, менее хрупкой. Для винтов и крепежных деталей поверхностное упрочнение достигается простой термической обработкой, состоящей из нагрева и последующей закалки.
Для предотвращения кражи замковые скобы и цепи часто подвергаются закалке, чтобы противостоять порезам, оставаясь при этом менее хрупкими внутри, чтобы противостоять ударам. Поскольку закаленные компоненты трудно поддаются механической обработке, их обычно формуют перед закалкой.