Цементация нержавеющей стали

При производстве деталей из стали возникает проблема: материал излишне тверд и в то же время хрупок. Поэтому его очень сложно обрабатывать и он не выдерживает импульсные нагрузки. Если металл пластичен, то он не способен справляться со статичными экстремальными воздействиями. Решение проблемы – это оставить тело заготовки пластичной и не хрупкой, а поверхностный слой упрочнить до требуемых величин. Именно для этого существует технология цементации нержавеющих и черных сталей. 

Зачем нужна цементация стали?

Проблема поиска баланса между хрупкостью и твердостью стали стояла перед металлургами или кузнецами всегда. Высоколегированные стали имеют хорошую прочность и износостойкость, но и повышенную хрупкость. Кроме этого, их очень сложно обрабатывать. Низкоуглеродистые стали легко изнашиваются, но обладают высокой ударной вязкостью, что предохраняет изделие от раскалывания. 

Чтобы совместить положительные качества материалов в одном изделии, всегда применялась технология обогащения поверхностного слоя углеродом. Сердцевина оставалась мягкой и пластичной, а поверхность твердой и износостойкой. Кузнецы добивались появления карбидного слоя выдержкой изделия в углеродной среде при высоких температурах и дальнейшим быстрым охлаждением. Источниками углерода могли быть древесный уголь, сало, масла и другие органические материалы. Все действия происходили на уровне искусства без уверенности в конечном результате. Современная металлообработка широко применяет цементацию черных и нержавеющих сталей.

Преимущества изделий с цементацией поверхности:

• Резкое повышение сопротивляемости к истиранию и другим механическим микровоздействиям. Цементированный слой способен выдерживать значительные локальные разрушающие усилия. Для отделения микрочастиц от цементированного слоя требуется приложение больших энергий. 
• Сохранение общих физических характеристик основного тела заготовки. Изделие не разрушается от ударных нагрузок и сохраняет высокую сопротивляемость усталости.  
• Технологические выгоды. Аустенитные металлы отлично поддаются разным видам обработки и хорошо свариваются. Что значительно упрощает все процессы по изготовлению изделия. Например, нержавеющий лист марки AISI 430 легко формуется и деформируется. А после цементации приобретает повышенную устойчивость к истиранию, но не теряет своих антикоррозионных свойств. 
• Создание специфичных изделий. Одним из примеров является производство самозатачивающихся режущих поверхностей для сельскохозяйственной техники. За счет того, что цементированный слой выдерживает воздействие почвы, а прилегающий металл стачивается на режущем диске, остается узкая кромка, которая позволяет врезаться в почву и сорняки. 
• Создание сложных и сварных конструкций из аустенитного сплава, которые подвергаются истиранию. Например – это бункеры, воронки, желоба и т.д. После обработки срок службы изделий возрастает в несколько раз.  

Суть процесса 

Низкоуглеродная сталь с аустенитной структурой пластична и легко обрабатывается, но при эксплуатации легко разрушается. Значительно продлить срок службы можно, создав тонкий поверхностный слой со структурой близкой к мартенситам. Это возможно, если материал диффузионным методом обогатить углеродом. Такую технологию называют цементацией, или науглероживанием. 

Технологически выгодно сделать изделие из мягкого (податливого к обработке) металла и после этого упрочить его поверхность до нужных параметров. Такой подход значительно снижает стоимость изделия. Во многих случаях недопустимо использовать высоколегированные стали из-за их хрупкости, поэтому цементация становится единственно возможным вариантом обработки.

Технологии цементации

Для упрочения поверхности подходят стали с содержанием углерода менее 0,25%. На качество науглероживания отрицательно влияет содержание серы и фосфора. Хорошо поддаются цементации такие марки нержавеющих сталей, как 40Х13 и 30Х13. 

Рассмотрим разные виды технологий повышения содержания углерода в поверхностном слое:

• Жидкостная. Изделие помещают в расплав солей (цианидов щелочей и необходимого для реакций хлорида бария) при температуре около 900 градусов. Метод позволяет создать условия для однородной обработки поверхности. 
• Вакуумная. В бескислородной печи нагревают изделие и после этого воздушное пространство заполняют ацетиленом (донор углерода) или инертным газом. Способ позволяет равномерно науглероживать мельчайшие детали, в том числе изделия, сделанные порошковым методом. 
• Газовая. В печи происходит нагрев изделия из нержавеющей стали, например, шпонки, пропановыми или метановыми горелками с недостаточной подачей кислорода. Шпонка пропитывается углеродом из газовой среды. 
• Твердая. Материал помещают в объем, заполненный твердыми донорами углерода, такими как кокс или уголь, и нагревают до 900 градусов. Обогащение поверхности происходит за счет диффузии углерода. 
• Электролитическая. Насыщение поверхностного слоя углеродом происходит при низких температурах в жидких электролитах. Толщина получаемого слоя незначительна. 
• Полутвердая. Создают пасту на основе углеродсодержащих веществ и компонентов, активизирующих процесс. Состав наносят на поверхность детали равномерным слоем и после этого ее закладывают в печь. 

Выбор технологии цементации зависит от вида обрабатываемой стали и производственной целесообразности. Но промышленность предпочитает обработку в газовой и жидкостной среде из-за дешевизны процесса.

Цементация нержавеющих сталей

Марки нержавеющих сталей отличаются друг от друга составом, соответственно, у них различные физические характеристики и химические свойства. В зависимости от вводимых в структуру легированных элементов, параметры по прочности, вязкости, жаростойкости, инертности, пластичности и устойчивости к окислению могут различаться. Также ферритные, мартенситные и аустенитные типы стали по-разному обрабатывают для придания нужных свойств: отжигают, нормализуют, закаливают и отпускают. 

Особенности цементации

Нержавеющие стали марок AISI 410, AISI 420, AISI 420S, AISI 430, AISI 431 подвергают науглероживанию с целью повышения сопротивления абразивному износу, где сердцевина металлов остается в вязком состоянии. Для получения необходимого поверхностного слоя стали подвергают цементации в газовой среде при температуре около 950 градусов. Время выдержки изделий из этих марок в продукте метанового или пропанового газа или ацетилена, который подается со скоростью 50 литров в час, составляет 7-8 часов. Обычно углеродом насыщается поверхностный слой на глубину от 0,7 до 1,8 мм до эвтектоидной концентрации, которая позволяет дальнейшей обработкой модифицировать поверхностный слой до мартенситного состояния. 

В некоторых случаях процесс проводят на меньшую или большую глубину, но такой метод крайне редкий и используется для получения сталей со специфическими свойствами. Например, круг нержавеющий из марки 95х18 применяют для изготовления втулок, подшипников, режущих инструментов, осей и других деталей, к которым предъявляются высокие требования по твердости и износостойкости. Изделия из этой стали способны выдерживать температуры до +500 градусов и эксплуатироваться в умеренных агрессивных средах. Поэтому металлурги проводят науглероживание внешнего слоя толщиной от 1,5 до 2 мм при очень высокой температуре до 1100 градусов. Время выдержки составляет от 10 до 12 часов.  

После цементации проводят следующие операции:

• Закалка. Можно проводить непосредственно из печи. Для этого нагретую до 1000-1050°С заготовку резко охлаждают. Эта манипуляция закрепляет неустойчивую структуру металла. Марку 95х18 закаляют при температуре 950 градусов. Температурный режим выбирают из соображений распада внутренней структуры стали. У каждого сплава он отличается. 
• Обработка холодом. Цель операции – это устранение в цементированном слое после закалки остатков аустенита. Обычно его количество варьируется в пределах 40-45%. Детали помещают в морозильную камеру с пониженной температурой до -70 градусов и оставляют их на 2 часа.  
• Отпуск. Это окончательная операция, при которой сталь получает дополнительные свойства, которыми не обеспечивалась во время закалки. Обычно отпуск проводят при температуре от 160 до 180°С, но иногда рекомендуют повышенную температуру до 500°С. Это делают для повышения глубины поверхностного слоя, при этом зная, что параметр твердости сердцевины материала значительно снизится. Далее происходит медленное остывание в естественных условиях. Ускоренное охлаждение нежелательно, так как оно может привести к появлению термических напряжений внутри структуры и, как следствие, к короблению изделий.

Технология создания твердого слоя на поверхности относительно мягких нержавеющих сталей сильно расширяет сферу применения этих материалов и позволяет комбинировать качество аустенитных и мартенситных систем строения металлов. Метод применяется со времен зарождения металлургии и до сих пор не потерял своей актуальности.