Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Цель цементации – получение высокой твёрдости поверхностного слоя деталей при сохранении вязкой и мягкой сердцевины, а также повышение износостойкости и предела усталости. Насыщенный углеродом поверхностный слой называется цементированным.
Цементации подвергают детали из углеродистой (иногда и легированной) стали, содержащей углерода от 0,01 до 0,25%.
Богатые углеродом смеси, применяемые для цементации, называются карбюризаторами. Они могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными. От вида применяемого карбюризатора цементация разделяется на твёрдую, жидкую и газообразную.
Твёрдая цементация (в твёрдом карбюризаторе) является наиболее старым процессом химико-термической обработки. Карбюризатор представляет собой порошкообразную смесь, состоящую (по массе) из древесного угля (70%), углекислого бария (20–25%) и углекислого кальция (3–5%). Добавление к древесному углю углекислых солей ускоряет процесс цементации.
Процесс цементации заключается в следующем: поступившую после механической обработки деталь (с припуском на последующую обработку) перед цементацией тщательно очищают от окалины, грязи, ржавчины, масла и просушивают. Поверхности, не подлежащие цементации, покрывают огнеупорной глиной в смеси с 5-10% асбестового порошка или же слоем меди в гальванических ваннах.
Если нельзя предохранить поверхность указанными выше способами, цементируют всю деталь, а затем дополнительно закаливают те места, которые должны обладать высокой твёрдостью или износоустойчивостью.
Обрабатываемые детали укладывают в специальный ящик изготовленный из жаростойкой стали, в следующем порядке: на дно ящика насыпают слой порошкообразного карбюризатора толщиной 25-30 мм и плотно утрамбовывают. На карбюризатор укладываются детали на расстоянии 15-30 мм друг от друга, а затем снова насыпают карбюризатор слоем толщиной 15-20 мм и утрамбовывают; после этого укладывают второй ряд деталей и т.д.
Одновременно с укладкой обрабатываемых деталей в ящик помещают контрольные прутки диаметром 6-10 мм и длиной 250 мм из такого же материала, как и материал детали. Эти прутки называются «свидетелями». В дальнейшем по излому прутков определяют глубину науглероженного слоя.
Толщина верхнего слоя карбюризатора 30-40 мм. Ящик плотно закрывают металлической крышкой , места между крышкой и стенками ящика промазывают огнеупорной глиной , ставят в холодную печь и постепенно нагревают до температуры 850-920ºС; более высокая температура может вызвать чрезмерное науглероживание поверхности, низкая температура замедляет процесс.
Цементация при температуре выше 950ºС, но не более 1000º допускается только для легированных сталей. Длительность выдержки и температура зависят от требуемой глубины науглероживаемого слоя, например цементация стали при температуре 900ºС в течение 5 ч даёт науглероженный слой глубиной 0,4–0,5 мм, а в течение 10 ч – 1,0–1,3 мм.
По окончании цементации ящики выгружают из печей, охлаждение деталей производится медленно, вместе с ящиками. После цементации детали подвергают обязательной термической обработке: закалке в воде при температуре 760-780ºС и низкому отпуску при температуре 160-180ºС.
Ответственные детали после цементации охлаждают на воздухе, а затем закаливают при температуре 850-900ºС и подвергают низкому отпуску (150-170ºС).
Одним из существенных недостатков цементации в твердом карбюризаторе является значительная трудоёмкость, загрязнение воздуха, невысокая производительность, большая длительность процесса. Для сокращения продолжительности цементации в качестве карбюризатора применяют пасты, имеющие различный состав, например, кокса 50%, углекислого натрия или калия 40%, щавелекислого натрия или калия 10% и др. Разведённую пасту наносят на детали и «свидетели» окунанием или кистью до получения слоя покрытия толщиной 2-3 мм, а затем высушивают при температуре 100-120º, после чего детали и «свидетели» укладывают в ящики.
Жидкостная цементация осуществляется путём погружения деталей в соляные ванны при температуре 830-850ºС. Карбюризатором при этом являются расплавленные соли, содержащие 75-80% углекислого натрия (сода), 10-15% поваренной соли и 6-10% карбида кремния. Цементация происходит за счёт атомарного углерода, выделяющегося в ванне при 820-850ºС от взаимодействия солей с карбидом кремния. Длительность процесса составляет 0,5-2 ч. За 40-50 мин процесса глубина цементированного слоя не превышает 0,2 мм.
Цементации подвергают мелкие детали, глубина цементированного слоя не должна превышать 0,5-0,6 мм.
Преимуществом цементации в соляных ваннах является равномерность нагрева и возможность непосредственной закалки после выемки из цементационной ванны. Процесс происходит быстрее, чем при цементации в твёрдой среде.
Газовая цементация заключается в насыщении поверхности стальных деталей углеродом в атмосфере углеродсодержащих газов. Газовую цементацию (в окиси углерода) впервые применил П. П. Аносов в 1837 г.
Газовую цементацию стальных деталей осуществляют в герметически закрытых камерах (муфелях) печей периодического или непрерывного действия путём нагрева при температуре 930-950ºС в среде углеродсодержащих газов, например естественных, состоящих в основном из метана СН4 и окиси углерода СО. Используют также жидкие карбюризаторы: бензол, пиробензол, осветительный керосин, синтин (продукт синтеза окиси углерода) и сжиженный природный газ.
Продолжительность процесса устанавливается в зависимости от требуемой глубины цементируемого слоя. Нагрев в газовом карбюризаторе и процесс насыщения поверхностного слоя являются более прогрессивными и экономичными по сравнению с твёрдой цементацией.