Введение

Процесс упрочнения поверхности металлического изделия – термин, используемый в деревообработке.

Цементация или карборизация – это процесс насыщения поверхности низкоуглеродистого железа или, что гораздо чаще, низкоуглеродистой стали углеродом для последующего упрочнения. Железо с содержанием углерода более ~0,02% называется сталью. Сталь с содержанием углерода более ~0,25% может быть упрочнена напрямую путем нагрева примерно до 600°C с последующим быстрым охлаждением, часто погружением в воду, что называется закалкой. Упрочнение желательно для металлических деталей, поскольку оно повышает прочность и износостойкость, однако закаленная сталь обычно более хрупкая и менее пластичная, чем в мягком состоянии. Для получения твердой поверхностной оболочки на сталях с содержанием углерода менее ~0,2%, углерод может быть введен в поверхность путем нагрева стали в присутствии углеродосодержащего вещества, такого как порошкообразный уголь или углеводородный газ. Это приводит к диффузии углерода в поверхностный слой стали. Глубина этого слоя с повышенным содержанием углерода зависит от времени выдержки, но типичная глубина цементации составляет 0,5 мм. После этого сталь необходимо нагреть и закалить для упрочнения этого высокоуглеродистого поверхностного слоя. Под этой оболочкой стальной сердечник останется мягким из-за низкого содержания углерода.

История

В раннем процессе плавки железа использовались бломеры, которые превращали железную руду в металлическое железо, нагревая её в печи, где сжигали древесину и древесный уголь. Поскольку температуры, достигаемые этим методом, обычно были ниже точки плавления железа, оно не расплавлялось полностью, а превращалось в пористую металлическую матрицу железа и шлака. Эта матрица затем требовала повторного нагрева и ковки для удаления максимального количества шлака, чтобы получить низкоуглеродистое ковкое железо, из которого впоследствии ковали инструменты и т.д. Из-за низкого содержания углерода ковкое железо довольно мягкое, поэтому, например, лезвие ножа не могло быть очень острым – оно быстро затупилось бы и легко гнулось. С усовершенствованием технологий плавки стали достижимы более высокие температуры печи, достаточные для полного расплавления железа. Однако в процессе железо поглощало углерод из древесного угля или кокса, используемых для нагрева. В результате получалось расплавленное железо с содержанием углерода около 3%, которое получило название чугун. Этот жидкий металл можно было отливать в сложные формы, но из-за высокого содержания углерода он был очень хрупким, не поддавался ковке и совершенно не подходил для изготовления, например, лезвий ножей. Для удаления избытка углерода из чугуна и получения ковкого железа требовалась дальнейшая обработка (конечными этапами развития которой стали конвертер Бессемера и процесс Сименса). После удаления почти всего углерода из чугуна получался металл, очень пластичный и ковкий, но не очень твердый и не способный к упрочнению посредством нагрева и закалки. Это привело к появлению цементации. Цементированный продукт сочетает в себе пластичность и прочность низкоуглеродистой стальной сердцевины с твердостью и упругостью внешнего слоя высокоуглеродистой стали. Традиционный метод насыщения поверхности железа углеродом заключался в упаковке железа в смесь, богатую углеродом, такую как измельченная кость и древесный уголь, или комбинацию кожи, копыт, соли и мочи, помещенных внутрь герметично закрытой коробки («цементной коробки»). Затем этот карбурирующий пакет нагревали до высокой температуры, но все еще ниже температуры плавления железа, и выдерживали при этой температуре в течение определенного времени. Чем дольше пакет выдерживался при высокой температуре, тем глубже углерод диффундировал в поверхность. Различная глубина цементации необходима для разных целей: острым инструментам требуется глубокая цементация для обеспечения возможности шлифовки и повторной заточки без обнажения мягкой сердцевины, в то время как деталям машин, таким как шестерни, может быть достаточна неглубокая цементация для повышения износостойкости. Цементированная деталь может демонстрировать отчетливое изменение цвета поверхности, если углеродсодержащий материал представляет собой смесь органических веществ, как описано выше. Сталь значительно темнеет и приобретает пестрый рисунок черного, синего и фиолетового цветов, вызванный различными соединениями, образующимися из примесей в кости и древесном угле. Эта оксидная пленка действует аналогично воронению, обеспечивая определенную степень коррозионной стойкости, а также привлекательный внешний вид. Цвет цементации относится к этому рисунку и часто встречается в качестве декоративной отделки на огнестрельном оружии. Цементированная сталь сочетает в себе экстремальную твердость и прочность, что трудно достичь с помощью однородных сплавов, поскольку твердые однородные стали, как правило, хрупкие – особенно те, чья твердость зависит исключительно от содержания углерода. Легированные стали, содержащие никель, хром и/или молибден, могут иметь очень высокую твердость, прочность или пластичность, но при этом стоят дороже, чем цементированное изделие с низкоуглеродистой сердцевиной.

Современное использование

Как углеродистая, так и легированная сталь подходят для закалки поверхностного слоя; обычно используются низкоуглеродистые стали, как правило, с содержанием углерода менее 0,3% (см. обычную углеродистую сталь для получения дополнительной информации). Эти стали обычно не поддаются закалке из-за низкого содержания углерода, поэтому поверхность стали химически модифицируется для повышения её способности к закалке. Закалка поверхностного слоя достигается путём диффузии углерода (карбуризация), азота (нитрирование) и/или бора (борирование) во внешний слой стали при высокой температуре, с последующей термической обработкой поверхностного слоя для достижения требуемой твердости. Термин "закалка поверхностного слоя" происходит от особенностей процесса карбуризации, который по сути своей аналогичен древнему процессу. Заготовку из стали помещают в контейнер, плотно заполненный композицией для карбуризации на основе углерода. Совокупность материалов в контейнере называется карбурирующей смесью. Контейнер помещают в горячую печь на переменное время. Время и температура определяют глубину проникновения закалки. Однако глубина закалки в конечном итоге ограничена неспособностью углерода глубоко диффундировать в твердую сталь, и типичная глубина поверхностной закалки при использовании этого метода составляет до 1,5 мм. В современной карбуризации также используются другие методы, такие как нагрев в атмосфере, насыщенной углеродом. Мелкие детали можно закалить поверхностно путем многократного нагрева с помощью горелки и закалки в среде, богатой углеродом, например, в коммерческих продуктах Kasenit / Casenite или "Cherry Red". Более старые составы этих композиций содержат потенциально токсичные соединения цианида, в то время как более новые типы, такие как Cherry Red, не содержат их.

Карбурирование

Карбуризация – это процесс, используемый для поверхностного упрочнения стали с содержанием углерода от 0,1 до 0,3 мас.% C. В этом процессе железо подвергается воздействию среды, богатой углеродом, при повышенных температурах в течение определенного времени, после чего происходит закалка, чтобы зафиксировать углерод в структуре. Один из простейших методов заключается в многократном нагреве детали ацетиленовым горелкой с богатой топливом струей и последующей закалке в жидкости, насыщенной углеродом, например, в масле. Карбуризация – это процесс, контролируемый диффузией, поэтому чем дольше сталь выдерживается в среде, богатой углеродом, тем глубже будет проникновение углерода и выше его содержание. Карбуризированный слой будет содержать достаточное количество углерода для повторной закалки, например, пламенной или индукционной. Возможно карбуризировать только определенную часть детали, либо защищая остальную часть, например, медным покрытием, либо нанося карбурирующую среду только на нужный участок. Углерод может поступать из твердого, жидкого или газообразного источника; если он поступает из твердого источника, процесс называется пакетной карбуризацией. Закладка низкоуглеродистых стальных деталей в углеродсодержащий материал и нагрев в течение определенного времени приводят к диффузии углерода во внешние слои. Период нагрева в несколько часов может привести к образованию высокоуглеродистого слоя толщиной около одного миллиметра. Жидкостная карбуризация включает погружение деталей в ванну с расплавленным материалом, содержащим углерод, часто цианидом металла; газовая карбуризация – это помещение деталей в печь с атмосферой, богатой метаном.

Нитрирование

Нитрирование нагревает стальную деталь в атмосфере аммиака и диссоциированного аммиака. Время выдержки детали в этой среде определяет глубину закаленной зоны. Твердость достигается за счет образования нитридов. Для работы этого метода необходимо присутствие элементов, образующих нитриды, таких как хром, молибден и алюминий. Преимущество этого процесса заключается в незначительной деформации, поэтому деталь можно подвергнуть упрочнению после закалки, отпуска и механической обработки. После нитрирования закалка не производится.

Углекислое нитрирование

Карбонитрирование аналогично цианированию, за исключением того, что вместо цианида натрия используется газообразная атмосфера аммиака и углеводородов. Если деталь необходимо закалить, ее нагревают до ; если закалка не требуется, то деталь нагревают до .

Ферритное нитрокарбурирование

При ферритной нитрокарбуризации азот и некоторое количество углерода в основном диффундируют в поверхностный слой заготовки при температуре ниже критической. Ниже критической температуры микроструктура заготовки не преобразуется в аустенитную фазу, а сохраняется в ферритном состоянии, что и обуславливает название процесса – ферритная нитрокарбуризация.

Приложения

Детали, подвергающиеся высокому давлению и резким ударам, по-прежнему часто подвергают цементации. Примеры включают ударники и личинки затворов винтовок, или кулачки двигателей. В этих случаях поверхности, требующие твердости, могут быть выборочно цементированы, оставляя основную часть детали в ее первоначальном вязком состоянии. Огнестрельное оружие часто цементировалось в прошлом, поскольку для его точной обработки лучше всего подходили низкоуглеродистые сплавы, но требовалась твердость и износостойкость высокоуглеродистых сплавов. Многие современные реплики старого огнестрельного оружия, особенно револьверы с одинарным действием, по-прежнему изготавливаются с цементированными рамами или с имитацией цементации (case coloring), которая воспроизводит пестрый рисунок, оставленный традиционной цементацией углем и костью. Другим распространенным применением цементации является обработка винтов, особенно самосверлящих винтов. Чтобы винты могли сверлить, резать и нарезать резьбу в других материалах, таких как сталь, сверлящий наконечник и формирующая резьба должны быть тверже материала, в который они ввинчиваются. Однако, если весь винт будет равномерно твердым, он станет очень хрупким и легко сломается. Это решается путем обеспечения твердости только поверхности, а сердцевина остается относительно мягкой и, следовательно, менее хрупкой. Для винтов и крепежных элементов цементация достигается простой термической обработкой, состоящей из нагрева и последующего закаливания. Для предотвращения кражи замковые дужки и цепи часто цементируются для повышения устойчивости к перерезанию, при этом сохраняя меньшую хрупкость внутри для сопротивления ударам. Поскольку цементированные детали сложно обрабатывать, их обычно формуют до цементации.