Сталь для цементації: призначення та правильний підбір

У сучасному машинобудуванні існують різноманітні вузли та деталі, до яких висуваються суперечливі вимоги. З одного боку, їхня робоча поверхня має бути надзвичайно твердою, щоб протистояти інтенсивному тертю та зносу. З іншого боку, серцевина деталі повинна залишатися в’язкою та пластичною, щоб поглинати енергію ударів і запобігати раптовому руйнуванню. Саме для таких завдань використовується сталь для цементації. Про неї ми і поговоримо більш детально у цій статті.

Що таке цементація та яке її значення?

Цементація — це процес хіміко-термічної обробки, при якому поверхневий шар низьковуглецевої сталі насичується вуглецем. Оскільки початковий вміст вуглецю в таких сталях становить лише 0,1–0,25%, вони не здатні значно загартовуватися по всьому об’єму. Проте після дифузійного насичення поверхні до концентрації вуглецю 0,8–1,0%, зовнішній шар набуває здатності до формування надтвердої структури, так званого мартенситу, після термічної обробки.

Навіщо потрібні легуючі елементи?

Для виготовлення певних деталей використовують леговані сталі, де кожен елемент виконує свою технічну функцію. Ось список основних хімічних речовин, що додають до складу легованих сталей для цементації з коротким описом їх властивостей:

• Хром (Cr). Підвищує прогартовуваність та сприяє утворенню твердих карбідів у цементованому шарі.
• Нікель (Ni). Найважливіший елемент для забезпечення високої ударної в'язкості серцевини; він робить сталь менш чутливою до концентраторів напружень.
• Марганець (Mn). Збільшує глибину загартованого шару, але при надлишку може призвести до росту зерна металу.
• Молібден (Mo). Дозволяє проводити цементацію при високих температурах без ризику перегріву, що значно прискорює технологічний процес.

Очевидно, що вміст легуючих елементів в різних марках сталі може суттєво варіювати. Як результат, властивості різних видів нержавіючої сталі для цементації також можуть суттєво відрізнятись. Наприклад, якщо більш детально ознайомитись з характеристиками сплаву 17HNM за посиланням https://virgamet.com.ua/predlozhenie/18h2gn2m-18nicrmo5-18ncd5-17hnm-18crnimo76-17nicrmo64-18ncd6-stal-dlya-cementacji, то можна побачити, що вона краще за інші марки підходить для виготовлення деталей з більшими навантаженням та розмірами.

Технологічний процес виготовлення

Процес виготовлення сталі для цементації зазвичай проходить в спеціальних печах при температурах 900–950°C у середовищі вуглецевмісного газу або твердого карбюризатора. Тривалість процесу визначає глибину дифузійного шару, яка зазвичай становить від 0,5 до 2,5 мм залежно від габаритів деталі. Після закінчення насичення деталі піддають гартуванню та обов’язковому низькому відпуску при температурі 150–200°C. Часто гартування проходить у два етапи.

Результатом такої обробки є унікальний градієнт властивостей та міцності. Твердість поверхні іноді досягає 58–63 HRC, що дозволяє деталі працювати в умовах абразивного зносу. В той самий час, твердість серцевини залишається на рівні 30–40 HRC. Це створює зони внутрішнього напруження та стиску в поверхневому шарі, що значно підвищує втомну міцність при циклічних навантаженнях.

Як правильно вибрати сталь для цементації?

Вибір конкретної марки сталі залежить від вимог до міцності серцевини. Для дрібних деталей достатньо хромистих сталей типу 20Х. В той самий час, для великогабаритних валів, що працюють під шаленим тиском, обирають хромонікелеві сплави типу 12ХН3А, які гарантують надійність металу навіть при екстремальних перевантаженнях. Цементація залишається перевіреним часом методом, що забезпечує довговічність сучасної техніки.