С тех пор, как человек научился варить и закаливать сталь, одной из важнейших задач стало сделать такую сталь, чтобы она была как можно более твердой, прочной и, в то же время, не хрупкой. Чтобы твой клинок разрубал чужой меч, а сам не тупился и не ломался. Такая сталь, которая в далёкие времена носила название булатной, ценилась гораздо дороже золота, а секрет её изготовления хранился за семью печатями, так, что когда он был утерян, его пришлось раскрывать заново.

Только в 18 веке знаменитый уральский металлург П.П. Аносов смог лишь приблизиться к качеству древнего булата. Даже в настоящее время, несмотря на наличие в руках исследователей таких мощных приборов, как электронный и ионный микроскопы, дающие возможность при увеличении в миллион раз разглядеть молекулу, технология производства булатной стали ещё полностью не воссоздана. Правда, надо отметить, что и нужда в подобном оружии уже далеко не та, что была в средние века, и даже во времена мушкетёров…

В настоящее время бурного развития машиностроения и всеобщей автомобилизации промышленности, требуются детали, у которых высокая поверхностная твёрдость и износостойкость сочетается с вязкой сердцевиной, так, чтобы, например, ось колеса не сломалась при внезапном наезде на препятствие. К таким изделиям относятся также всевозможные шестерни, валы, штоки, разнообразные инструменты и детали замков. Высокая твёрдость стальных изделий достигается при закалке высокоуглеродистой стали, содержащей 0,7 - 1,2% углерода. путем нагрева деталей до высоких, порядка 800 градусов, температур с последующим быстрым охлаждением в воде или масле.

Однако чем выше твёрдость, тем, к сожалению, ниже вязкость и пластичность В технике - как и в жизни - за всё приходится платить. Вот если бы можно было иметь сталь с высоким содержанием углерода на поверхности и низким в сердцевине!

Оказалось, что создать такую сталь можно. Ещё в начале прошлого века был разработан процесс химико-термической обработки, получивший название цементации в твёрдом карбюризаторе – от терминов «цементит», обозначающий карбид железа и «карбон» – углерод. Перед закалкой мягкую низкоуглеродистую ( 0,1-0,2% ) сталь насыщали углеродом в процессе длительной, многочасовой обработки деталей в герметичных ящиках, наполненных измельчённым древесным углем, при высокой температуре в 900 - 950 градусов.

Однако укладка деталей в ящики, их засыпка, герметизация и последующая распаковка являлись серьёзной помехой при массовом производстве. Кроме того, детали необходимо было заново нагревать потом для закалки. Поэтому следующим этапом явилась разработка процесса газовой цементации в печах с защитной атмосферой, содержащей науглероживающие газы - СО и (или) СН4. Естественно, что для предотвращения попадания этих весьма токсичных и взрывоопасных газов в атмосферу, а также для поддержания заданной их концентрации в печи, такие агрегаты приходится строить весьма сложными и дорогими. Для получения стабильных результатов требуется наличие квалифицированного персонала и проведение непрерывного контроля состава газовой среды.

Глубина науглероженного слоя зависит в первую очередь от температуры и длительности выдержки деталей в печи. Так стандартная средняя скорость процесса науглероживания при газовой цементации обычно составляет 0,2 мм/час при 900 - 930 градусах, уменьшаясь при увеличении глубины свыше 1 -2 мм до значений порядка 0,1 мм/час.

Поэтому оптимальной является цементация однотипных изделий, т.к. для перехода на обработку изделий с другой требуемой глубиной слоя необходим перерыв или окончание процесса, например, при вакуумной цементации.

Для термообработки деталей в мелкосерийном или одиночном производстве с большой номенклатурой разнообразных изделий наиболее удобен метод нагрева в соляных ваннах, т.к. по сравнению с нагревом в открытых печах с воздушной атмосферой удаётся избежать поверхностного окисления.

Кроме того, скорость прогрева изделий в солях гораздо выше, чем на воздухе. Цементация в соляных ваннах также весьма выгодна с технологической точки зрения, т.к. позволяет в одно и то же время получать слои различной толщины в зависимости от продолжительности обработки.

Но единственные углеродсодержащие соли, применяемые сейчас в промышленности для цементации - это высокотоксичные цианиды и цианаты. При этом надо учитывать, что помимо соблюдения особых мер предосторожности в процессе собственно термообработки необходимы специальные и далеко не самые дешёвые методы утилизации отходов.

Использование весьма дорогостоящих цианосодержащих солей с каждым годом становится всё более затруднительным в связи с ужесточением требований к охране окружающей среды, что существенно ограничивает применение этого весьма привлекательного процесса.

Нами разработан новый способ цементации изделий в экологически чистых расплавах солей типа СаСl2, широко применяемых в настоящее время для нагрева деталей в ваннах. При этом насыщение стали углеродом происходит за счёт применяемых нами специальных веществ и приемов.

Особая привлекательность предлагаемого процесса заключается в отсутствии необходимости контроля состава С,950 0.3 мм/час при t = 930ванны, весьма высокой скорости цементации - 0.25 с достижением стандартных высоких значений твердости на поверхности деталей HRC 62 ( 655 - 740 HV ). Больше того, при таком способе в той же ванне возможно58 нагревать под закалку одновременно и другие, не цементуемые, изделия (например, штампы или режущий инструмент).

Имеется также возможность проведения местной цементации, когда заданная часть поверхности детали остаётся мягкой и позволяет провести на ней какую-нибудь механическую обработку ( например просверлить ещё одно отверстие ) уже после закалки. Все это особенно важно для малых предприятий при широкой номенклатуре заказываемых изделий.

Процесс прошел успешную промышленную проверку в течение более полугода на одном из предприятий Израиля.

Мы предлагаем также консультативную помощь в выборе оптимальных сталей и сплавов и режимов их термической обработки для деталей и узлов высокоточных механизмов и приборов. Наш многолетний опыт работы в металлургической и приборостроительной промышленности Москвы позволяет разрабатывать наиболее эффективные технологические процессы изготовления сложных деталей и давать рекомендации по улучшению их качества.

Статья поступила в редакцию 04.05.2005 г.

Контактные телефоны хранятся в редакции.