Cum se întărește oțelul? Metode, pași și sfaturi

Ce face de fapt cementarea oțelului

Cementarea este un proces de tratament termic care întărește suprafața exterioară a unei piese din oțel, menținând în același timp miezul interior dur și ductil. Rezultatul este o componentă care rezistă la uzură și la oboseala suprafeței la exterior, dar poate absorbi șocul și stresul fără a se crăpa în interior. Această combinație este exact ceea ce necesită forjarea din oțel și componentele prelucrate în aplicații solicitante, cum ar fi angrenaje, arbori cu came, osii și scule de tăiere.

Stratul exterior întărit – numit „caz” – variază de obicei de la 0,1 mm până la peste 3 mm în adâncime , în funcție de metoda utilizată și de timpul de expunere. Miezul rămâne relativ moale, de obicei între 20-40 HRC, în timp ce cazul poate ajunge 58–65 HRC în procese bine controlate. Această structură cu două zone nu poate fi realizată numai prin călire integrală, făcând din cementare o tehnică distinctă și extrem de practică în forjarea și fabricarea oțelului.

Merită să înțelegem că nu toate oțelurile răspund în mod egal la cementarea. Oțelurile cu conținut scăzut de carbon (0,1%–0,3% carbon) sunt cele mai frecvent călite, deoarece miezurile lor rămân ductile după tratament. Oțelurile cu carbon mediu pot fi, de asemenea, tratate, dar oțelurile cu conținut ridicat de carbon sunt, în general, întărite, deoarece miezurile lor sunt deja capabile să atingă duritate ridicată.

Principalele metode utilizate pentru a întări oțelul

Există mai multe metode stabilite pentru călirea oțelului, fiecare potrivită pentru diferite materiale, cerințe de adâncime a carcasei și medii de producție. Alegerea celui potrivit depinde de aliajul de oțel de bază, duritatea suprafeței dorite, toleranțele dimensionale și echipamentul disponibil.

Carburarea

Carburarea este cea mai utilizată metodă de cementare pentru componentele forjate din oțel. Procesul implică expunerea oțelului cu conținut scăzut de carbon la un mediu bogat în carbon la temperaturi ridicate - de obicei 850°C până la 950°C (1560°F până la 1740°F) — suficient de lung pentru ca carbonul să se difuzeze în suprafață. Odată ce a fost absorbit suficient carbon, piesa este stinsă pentru a se bloca în carcasa întărită.

Există trei variante comune de cementare:

• Cementare cu gaz: Piesa este plasată într-un cuptor cu atmosferă de gaz purtător de carbon, de obicei gaz endotermic îmbogățit cu gaz natural sau propan. Aceasta este metoda cea mai controlabilă și scalabilă, utilizată pe scară largă în industria de automobile și forjare a oțelului.
• Cementare pachet: Piesa de oțel este ambalată într-un recipient cu material carbonic solid (cum ar fi cărbunele amestecat cu carbonat de bariu) și încălzită timp de câteva ore. Aceasta este o metodă low-tech încă folosită în atelierele mici sau pentru forme neregulate.
• Cementare lichidă (baie de sare): Piesa este scufundată într-o baie de sare topită pe bază de cianură. Este rapid și eficient, dar implică substanțe chimice periculoase, așa că a scăzut în utilizare din cauza problemelor de mediu și de siguranță.

Un ciclu tipic de carburare cu gaz pentru realizarea a adâncimea carcasei de 1 mm pe un oțel cu conținut scăzut de carbon precum AISI 8620 durează aproximativ 8-10 ore la 930°C. După cementare, piesa este călită în ulei sau apă, apoi călită la 150°C–200°C pentru a ușura solicitările de călire, păstrând în același timp duritatea suprafeței peste 60 HRC.

Nitrurare

Nitrurarea introduce mai degrabă azotul în suprafața oțelului decât carbonul. Funcționează la temperaturi semnificativ mai scăzute - 480°C până la 590°C (900°F până la 1095°F) — ceea ce înseamnă că distorsiunea este minimă și nu este necesară stingerea. Acest lucru face ca nitrurarea să fie deosebit de potrivită pentru componentele de precizie și piesele finite în care precizia dimensională este critică.

Carcasa rezultată este mai superficială decât carburarea (de obicei 0,1 mm până la 0,6 mm ), dar valorile durității suprafeței pot depăși 70 HRC echivalent (1100 HV) în oțeluri aliate care conțin elemente care formează nitrură, cum ar fi crom, molibden, aluminiu și vanadiu. Gradele obișnuite de nitrurare includ AISI 4140, 4340 și oțelurile nitraloy.

Nitrurarea cu gaz folosește amoniac disociat într-un cuptor. Nitrurarea cu plasmă (ion) folosește o descărcare electrică strălucitoare pentru a introduce azot și poate trata geometriile complexe mai uniform. Nitrurarea în baie de sare (nitrocarburarea feritică) este mai rapidă și îmbunătățește atât rezistența la uzură, cât și rezistența la coroziune.

Întărire prin inducție

Întărirea prin inducție nu implică difuzie chimică. În schimb, folosește inducția electromagnetică pentru a încălzi rapid suprafața unei piese din oțel la peste temperatura de austenitizare, urmată de călire imediată. Procesul este extrem de rapid - poate avea loc încălzirea suprafeței 1 până la 10 secunde — și produce o carcasă martensitică dură fără a afecta miezul.

Această metodă necesită oțeluri cu carbon mediu (0,35%–0,55% carbon) sau oțeluri aliate care au deja suficient carbon pentru a forma martensită la călire. Este folosit în mod obișnuit pentru arbori, roți dințate, arbori cotit și componente șine în sectoarele forjare a oțelului și auto. Adâncimile carcasei variază de obicei de la 1 mm până la 6 mm in functie de frecventa folosita si timpul de incalzire.

Frecvențele de inducție mai mari produc cazuri mai superficiale; frecvențele inferioare pătrund mai adânc. O frecvență de 10 kHz poate atinge un caz de 3–5 mm, în timp ce o frecvență de 200 kHz poate atinge doar 0,5–1 mm. Duritatea ajunge de obicei 55–62 HRC pe oţeluri selectate corespunzător.

Întărirea la flacără

Călirea la flacără folosește o flacără directă de oxiacetilenă sau oxi-propan pentru a încălzi rapid suprafața oțelului, urmată de stingerea cu apă. Este una dintre cele mai vechi metode de întărire selectivă a suprafeței și nu necesită echipamente specializate pentru cuptor. Tehnica funcționează pe oțeluri cu carbon mediu și aliaje și este frecvent aplicată pieselor mari sau greoaie - cum ar fi forjate mari, căi de mașină și pinioane - care nu se potrivesc cu ușurință în cuptoare sau bobine de inducție.

Adâncimile carcasei cu întărire la flacără variază foarte mult de la 1,5 mm până la 6 mm , iar valorile de duritate de 50–60 HRC sunt realizabile. Cu toate acestea, procesul este mai puțin controlabil decât întărirea prin inducție, iar obținerea unei adâncimi consistente a carcasei în forme complexe necesită operatori calificați.

Cianurare și carbonitrurare

Carbonitrurarea introduce simultan atât carbon cât și azot în suprafața oțelului la temperaturi de 700°C până la 900°C . Este adesea considerat un hibrid de carburare și nitrurare. Prezența azotului scade severitatea de stingere necesară, reduce distorsiunea și îmbunătățește întăribilitatea. Adâncimile carcasei sunt în general mai puțin adânci decât cementarea completă - 0,07 mm până la 0,75 mm — și este utilizat pe scară largă pentru piese cu secțiune subțire, elemente de fixare și angrenaje mici.

Cianurea folosește o baie lichidă de cianura de sodiu pentru a introduce carbon și azot simultan. Deși eficientă și rapidă, natura toxică a sărurilor cu cianură a făcut această metodă în mare parte depășită în majoritatea țărilor din cauza reglementărilor de mediu.

Proces pas cu pas pentru carburarea oțelului acasă sau într-un magazin

Pentru cei care lucrează în afara unui cadru industrial - într-o fierărie, într-un atelier de mașini mici sau într-o forjă de casă - cementarea pachetului este cea mai accesibilă metodă. Iată o prezentare practică a procesului.

1. Selectați oțelul potrivit. Utilizați un oțel cu conținut scăzut de carbon, cum ar fi 1018, 1020 sau A36. Oțelurile cu conținut ridicat de carbon nu beneficiază de cementare în același mod. Taglele de forjare din oțel realizate din clase cu emisii scăzute de carbon sunt materiale de pornire obișnuite.
2. Curățați bine piesa. Îndepărtați uleiul, calcarul, rugina și contaminarea de pe suprafață. Contaminanții acționează ca bariere în calea difuzării carbonului și creează o adâncime neuniformă a carcasei.
3. Pregătiți compusul de cementare. Amestecați cărbunele din lemn de esență tare (zdrobit în bucăți de 6-12 mm) cu un energizant cu carbonat - carbonatul de bariu la 10-20% din greutate este tradițional, deși carbonatul de calciu (pulbere de calcar) funcționează ca o alternativă mai sigură. Carbonatul reacționează cu monoxidul de carbon din recipient pentru a produce CO₂, care ciclează înapoi la CO și menține atmosfera bogată în carbon.
4. Ambalați recipientul. Puneți piesa într-o cutie metalică sau un recipient etanș (fontă sau oțel gros). Împachetați compusul de cărbune în jurul piesei, asigurând cel puțin 25 mm de compus pe toate părțile. Sigilați capacul cu ciment refractar sau argilă de foc pentru a minimiza evacuarea gazelor.
5. Încălziți într-un cuptor. Puneți recipientul ambalat într-un cuptor și aduceți-l la 900°C–950°C (1650°F–1740°F) . Mențineți această temperatură pentru timpul necesar de înmuiere. Ca un ghid aproximativ, 1 oră la 900°C produce aproximativ 0,25 mm de adâncime a carcasei; 8 ore produce aproximativ 1 mm.
6. Stinge piesa. Scoateți piesa din cutie încă fierbinte și stingeți imediat în ulei (ulei de motor sau ulei de stingere). Stingerea apei este mai rapidă, dar crește riscul de crăpare. Călirea cu ulei este potrivită pentru majoritatea oțelurilor cu conținut scăzut de carbon și produce o duritate a carcasei de 58–63 HRC.
7. Căliți după stingere. Reîncălziți piesa la 150°C–200°C (300°F–390°F) timp de 1–2 ore pentru a elibera stresul intern de la călire. Acest lucru reduce fragilitatea, menținând în același timp duritatea suprafeței. Omiterea acestui pas riscă microfisurarea.

Un test de câmp folosit în mod obișnuit pentru duritatea carcasei este testul pilei: o pilă nouă și ascuțită ar trebui să iasă de pe suprafață fără a se tăia dacă carcasa este complet întărită. Pentru o măsurare mai precisă, testarea durității Rockwell (scara HRC) sau testarea microdurității Vickers pe o secțiune transversală sunt abordări standard.

Compararea metodelor de întărire: o prezentare practică

Tabelul de mai jos rezumă diferențele cheie dintre cele mai comune metode de întărire pentru a ajuta la selectarea procesului potrivit pentru o anumită aplicație.

Clasele de oțel cele mai potrivite pentru întărirea carcasei

Nu toate clasele de oțel răspund la cementarea în același mod. Alegerea materialului de bază afectează în mod semnificativ adâncimea realizabilă a carcasei, duritatea miezului și stabilitatea dimensională după tratament. În aplicațiile de forjare a oțelului, potrivirea gradului corect cu procesul de cementare este fundamentală pentru performanța pieselor.

Oțeluri cu conținut scăzut de carbon pentru carburare

• AISI 1018 / 1020: Cea mai comună și economică alegere. Folosit pentru arbori, știfturi și componente generale de forjare din oțel unde este necesară rezistența la uzură la suprafață, dar costul trebuie controlat. Ușor de prelucrat înainte de tratament.
• AISI 8620: Un oțel aliat nichel-crom-molibden utilizat pe scară largă în producția de angrenaje și arbori. Se carburează în mod fiabil și oferă o rezistență excelentă a miezului după tratamentul termic, făcându-l un grad de referință pentru forjarea oțelului a componentelor transmisiei.
• AISI 9310: Folosit în aplicații aerospațiale de înaltă performanță și echipamente grele. Oferă rezistență excepțională a miezului și întărire prin carcasă datorită conținutului ridicat de nichel.
• AISI 4118 / 4320: Calități crom-molibden cu întărire bună. Folosit în angrenaje de transmisie și forjate care necesită adâncimi mai adânci ale carcasei și o rezistență mai bună la oboseală.

Oteluri aliate pentru nitrurare

• AISI 4140: Un oțel versatil crom-molibden care răspunde bine la nitrurarea gazoasă. Folosit frecvent pentru suporturi de scule, axuri și arbori de precizie în echipamentele de forjare a oțelului.
• AISI 4340: Un oțel aliat de înaltă rezistență nichel-crom-molibden. După nitrurare, obține o combinație excelentă de duritate a suprafeței și duritatea miezului. Frecvent în forjarile aerospațiale și componentele structurale.
• Nitralloy 135M: Dezvoltat special pentru nitrurare, care conține aluminiu ca element de formare a nitrururilor. Produce unele dintre cele mai mari valori de duritate a suprafeței care pot fi atinse prin nitrurare, depășind adesea 1000 HV.

Oțeluri cu carbon mediu pentru întărire prin inducție și la flacără

• AISI 1045: Un oțel cu carbon mediu utilizat pe scară largă pentru călirea prin inducție. Frecvent în arbori, osii și piesele forjate pentru instrumente agricole. Realizează 55–60 HRC la suprafață după tratamentul de inducție.
• AISI 4140 / 4340: Potrivit și pentru întărirea prin inducție atunci când este stins de la temperaturi ridicate ale suprafeței. Folosit în știfturi de manivelă, forjate de guler și componente grele de inginerie.
• AISI 1060 / 1080: Conținutul mai mare de carbon le face potrivite pentru aplicații cu șine și arc, în care întărirea la flacără este practicată pe suprafețe de contact cu uzură ridicată.

Cum interacționează întărirea cazului cu Forjare din oțel Proces

În producția industrială, cementarea este aproape întotdeauna o operație post-forjare. Forjarea oțelului - fie matriță deschisă, matriță închisă (matriță de imprimare) sau forjare cu rolă - rafinează structura granulației oțelului și aliniază fluxul de cereale cu geometria piesei. Această rafinare a granulării îmbunătățește proprietățile mecanice ale oțelului înainte de aplicarea oricărui tratament termic.

După forjarea oțelului, piesele sunt de obicei normalizate sau recoapte pentru a reduce tensiunile de forjare, apoi prelucrate brut la dimensiuni aproape finale. În această etapă se aplică cementarea. Secvența contează: dacă o piesă este prelucrată finită înainte de cementare, procesul de călire poate provoca modificări dimensionale minore (distorsiuni) care împing piesa în afara toleranței. Majoritatea producătorilor lasă șlefuirea sau finisarea prelucrarii ca pas final după călire.

În cementarea pieselor forjate, structura cu granulație fină produsă în timpul forjarii oțelului ajută la limitarea variabilității difuziei carbonului și susține o adâncime mai uniformă a carcasei în geometriile complexe. Piesele forjate cu structură de granulație strânsă prezintă, de asemenea, o rezistență mai bună la oboseală în zona de tranziție a carcasei-miez, care este locul în care fisurile de oboseală inițiază de obicei sub încărcare ciclică.

De exemplu, angrenajele de transmisie auto produse prin forjare cu matriță închisă din oțel 8620 sunt cementate în mod obișnuit la o adâncime a carcasei de 0,8–1,2 mm , stins, călit și apoi finisat măcinat. Această combinație de forjare și cementare produce componente capabile să reziste la solicitări de contact depășitoare 1500 MPa peste milioane de cicluri de încărcare — performanțe pe care niciunul dintre procese nu le-ar putea atinge singur.

Controlul adâncimii carcasei și consistenței durității

Una dintre cele mai frecvente probleme în cazul întăririi cu carcasă este adâncimea inconsecventă a carcasei. Acest lucru poate cauza oboseala prematură a suprafeței, ruperea sau crăparea în funcțiune. Mai multe variabile guvernează consistența adâncimii carcasei, iar controlul lor este ceea ce separă tratarea termică de calitate de practicile proaste.

Omogenitatea temperaturii în cuptor

Gradienții de temperatură în interiorul unui cuptor se traduc direct în variația adâncimii carcasei într-un lot. Un lot de roți dințate prelucrate într-un cuptor cu a variație de temperatură ±15°C va vedea diferențe de adâncime a carcasei de 10–15% pe sarcină. Cuptoarele industriale de cementare cu gaz sunt de obicei specificate pentru întreținere uniformitate ±5°C în toată zona de lucru. Calibrarea termocuplurilor și calificarea cuptorului (conform standardelor precum AMS 2750 sau CQI-9) sunt practici standard în instalațiile de tratare termică controlate de calitate.

Controlul potențialului de carbon în carburarea gazului

În cementarea cu gaz, potențialul de carbon al atmosferei cuptorului trebuie reglat cu atenție. Un potențial de carbon prea mare determină formarea rețelelor de carbură de suprafață - carburi de fier fragile, asemănătoare plăcilor la granițele granulelor, care reduc semnificativ durata de viață la oboseală. Un potențial de carbon prea scăzut are ca rezultat o cantitate insuficientă de carbon de suprafață și o carcasă neadecvat de dur. Majoritatea sistemelor de cuptoare folosesc sonde de oxigen (sonde de stocare a lamelor sau sonde lambda) pentru a monitoriza și ajusta continuu potențialul de carbon, țintind 0,8%–1,0% carbon de suprafață pentru majoritatea aplicațiilor cu angrenaje și arbori.

Severitatea stingerii și designul dispozitivului

Călirea neuniformă este o altă cauză majoră a distorsiunii și a durității inconsistente. Piesele care intră în călire în orientări diferite sau în care mediul de călire curge neuniform în jurul piesei, se vor răci la viteze diferite și vor produce microstructuri diferite în zone diferite. Dispozitivele proiectate corespunzător țin piesele în siguranță în timpul călirii și permit accesul constant al suportului de călire pe toate suprafețele. Temperatura uleiului în timpul călirii este de obicei menținută la 40°C–80°C (100°F–175°F) pentru majoritatea aplicațiilor de forjare a oțelului — uleiul rece se stinge prea dur, uleiul fierbinte se stinge prea lent.

Inspecție post-tratament

Verificarea rezultatelor cementării se face prin teste distructive și nedistructive. Testarea distructivă implică tăierea unei secțiuni transversale dintr-un cupon de probă procesat cu lotul de producție, apoi măsurarea durității la adâncimi incrementale folosind un tester de microduritate Vickers pentru a genera un profil de duritate. Adâncimea efectivă a carcasei este definită ca adâncimea la care duritatea scade 550 HV (aproximativ 52 HRC) conform ISO 2639. Metodele nedistructive includ analiza zgomotului magnetic Barkhausen și testarea cu curenți turbionari, care pot detecta anomaliile de adâncime a carcasei și duritatea suprafeței fără a tăia piesa.

Greșeli frecvente la întărirea și cum să le evitați

Cele mai multe erori de întărire de caz în teren pot fi urmărite la un număr mic de erori care pot fi evitate. Recunoașterea acestor erori în avans – indiferent dacă lucrați într-un atelier de producție sau într-o forjă mică – previne reprelucrarea costisitoare și respingerea pieselor.

• Material de bază greșit: Încercarea de a carbura oțel cu conținut ridicat de carbon adaugă puține beneficii și poate produce rețele fragile de carbură. Confirmați întotdeauna conținutul de carbon al oțelului de bază înainte de a selecta o metodă de cementare.
• Sari peste temperament: Oțelul călit fără călire este supus unor solicitări interne enorme. Piesele pot crăpa la ore după stingere dacă nu sunt temperate prompt. Temperați întotdeauna în câteva ore de la stingere, chiar dacă este doar o înmuiere de 1 oră la 160°C.
• Încălzire neuniformă înainte de stingere: O parte care nu este la o temperatură de austenitizare uniformă atunci când este stinsă va avea o microstructură neuniformă. Asigurați-vă un timp de înmuiere adecvat la temperatura de procesare înainte de stingere. Secțiunile subțiri pot avea nevoie de doar 15-20 de minute de înmuiere; forjarile groase pot necesita o oră sau mai mult.
• Contaminarea suprafeței: Uleiul, grăsimea sau oxidarea de pe suprafața piesei înainte de cementare creează zone moarte în care carbonul nu poate difuza. Piesele trebuie degresate și ușor sablate sau curățate înainte de prelucrare.
• Carcasă subdimensionată pentru aplicație: O carcasă subțire (0,2 mm) pe un angrenaj puternic încărcat se va sparge sub stresul de contact, expunând miezul moale și provocând uzură rapidă sau pitting. Potriviți specificația adâncimii carcasei cu presiunea de contact și sarcina pe care o va vedea componenta în funcționare.
• Supracarburare: Timpul excesiv sau potențialul de carbon produce un strat alb gros și fragil de austenită și carburi reținute la suprafață. Acest strat se poate desprinde, reducând dramatic rezistența la oboseală, mai degrabă decât îmbunătățind-o.

Aplicații în care componentele forjate din oțel călit sunt standard

Cementarea nu este un tratament de nișă. Este încorporat în procesele de producție standard din multe industrii care se bazează pe forjarea oțelului pentru componente structurale și mecanice.

• Transmisii și diferențiale auto: Roțile dințate, pinioanele și angrenajele solare ale transmisiilor automate sunt forjate din oțel 8620 sau 4320 și carburate la adâncimi ale carcasei de 0,9–1,4 mm. Combinația dintre duritatea suprafeței și duritatea miezului face față solicitărilor repetate de contact și încărcării cu șocuri ale sistemelor de propulsie ale vehiculelor pe sute de mii de kilometri.
• Piese forjate structurale aerospațiale: Componentele trenului de aterizare, arborii de acționare și rulmenții din aeronave sunt adesea fabricate din oțel 4340, nitrurat sau carburat pentru a oferi rezistență la uzură, menținând în același timp rezistența și tenacitatea ridicate cerute de specificațiile aerospațiale, cum ar fi AMS 6415.
• Echipamente pentru minerit si constructii: Știfturile de șenile, bucșele, dinții cupei și știfturile brațului excavatorului sunt forjate din oțeluri aliate și călite pentru a rezista la uzura abrazivă de la contactul cu roca și solul. Adâncimile carcasei de 2–4 mm sunt comune în aceste aplicații pentru a oferi durabilitate în condiții extrem de dure.
• Arborii cotiți și arbori cu came: Arborii cotiți pentru automobile, adesea forjați din oțeluri 1045 sau microaliate, sunt întăriți prin inducție la suprafețele pivotului pentru a obține o duritate a suprafeței localizată, în timp ce restul arborelui își păstrează duritatea. Duritatea jurnalului de 55–60 HRC prelungește semnificativ durata de viață a rulmentului în comparație cu suprafețele netratate.
• Unelte de mână și scule tăietoare: Daltele, poansonurile și matrițele realizate din oțel 1020 pot fi ambalate la domiciliu pentru a produce o tăietură tare. Aceasta este una dintre cele mai vechi aplicații de cementare și rămâne relevantă pentru fierarii și producătorii de scule care lucrează în afara setărilor industriale.