Цемента́ція залі́за — процес обробки зварного (ковкого) заліза, що полягає у насиченні його поверхні або всього його об'єму вуглецем і одержанні в такий спосіб відповідно шару сталі на поверхні залізного предмета або перетворенні заліза на сталь в усьому його об'ємі. Цементація заліза є найстародавнішим способом одержання сталі. The cementation process. // H. M. Boylston. An Introduction to the Metallurgy of Iron and Steel. J. Wiley, 1928. P. 205—207. Процес цементації заліза відомий з найдавніших часів, термін «цементація» виник у 19 ст. і пов'язаний з поняттям «цементит». На відміну від цементації сталі, яку близько нагадує цей процес, цементація заліза застосовувалася саме до зварного заліза, а не до сталі. Першочергова мета цементації заліза — надання твердості металу. Твердості власне цементацією надано бути не може, її надає подальше гартування. Цементація робить залізо здатним до прийняття гартування. Цементація дозволяла підвищити вміст вуглецю у зварному залізі до 0,3 % і, навіть, до 1,6 % Brännstål. // Bonniers konversations lexikon. Vol. II. Stockholm. 1923. S. 707. The Cementation Process. // O. F. Hudson. Iron and Steel: An Introductory Text-book for Engineers and Metallurgists. D. Van Nostrand Company, 1913. pp. 56 — 59. (у вихідному залізі його було зазвичай 0,02—0,08 %, інколи більше). У наш час процес цементації заліза застарів, оскільки зварне залізо тепер (з 2-ї половини 20 століття) не виробляється. Одержана в такий спосіб сталь називалася цементо́вою сталлю або кри́цею. Цементова сталь має на своїй поверхні характерні пухирці, бульбочки.
Цементації піддавали готові вироби або залізні заготовки (у вигляді штаб, брусків, прутків). З 18 ст. цементацію заліза використовували також для перетворення залізних заготовок на сталь з подальшою переплавкою цих заготовок і одержанням чистої сталі (заготовки містили включення шлаку, кінцевий продукт — чиста сталь).
Процес цементації заліза з метою одержання сталі в окремих країнах у промислових масштабах зберігався ще на початку 20-го століття, коли вже існували й були поширені набагато продуктивніші процеси масового виробництва сталі. У Швеції у 1899 році було вироблено 974 т цементової сталі. Brännstål. // Sveriges land och folk: historisk-statistisk handbok. Norstedt, 1901. S. 683—684.
Історія
Зварне залізо, одержуване сиродутним способом або кричною переробкою (з 14 століття), часто було занадто м'яким металом для виготовлення деяких категорій виробів. При цьому ще стародавні металурги помітили, що метал стає твердішим після тривалого контакту з гарячим вугіллям. Цементацію у стародавні часи провадили у невеличких об'ємах (кілька кілограмів металу за 1 раз), пізніше, у 17—18 століттях, були розроблені методи продуктивнішого проведення процесу цементації заліза з одержанням до 10—20 т цементової сталі (криці) за 1 процес.
Цементація заліза була відома кельтам (I тисячоліття до н. е.), які одержували сталь головним чином навуглецюванням сиродутного заліза у полум'ї деревного вугілля. Одержану цементову сталь кельти використовували для виготовлення так званих «наварних» виробів, у яких на м'яку залізну основу методом пічного або ковальського зварювання наварювалося сталеве лезо. Так виготовляли мечі, зброю і інструменти.
На території України одержання сталі методом цементації залізних напівфабрикатів було відоме ще у зарубинецькій культурі (початок н. е.). У черняхівській культурі (3—5 ст. н. е.) цей процес був ще більш поширений і виконувався досконаліше. Як припускається, цементацію провадили нагріванням напівфабрикатів у тиглях у суміші з товченим деревним вугіллям. Була цементація відома й у Київській Русі. Цементація була трудомісткою і складною, тому сталь йшла тільки на окремі види виробів, де була потрібна якість, найчастіше шляхом її наварювання здебільшого лише на леза або інші робочі частини інструментів. Якщо у Київській Русі сталь використовували у 8—10 разів рідше, ніж залізо, то в додержавний період цей розрив був ще більший. Давня історія України (в трьох томах). Том 3: Слов'яно-Руська доба. — К.: Інститут археології НАН України, 2000. — С. 117—124, 418—425. ISBN 966-02-1396-4 (т. 3)
У літературі процес цементації описаний у трактаті, опублікованому в Празі в 1574 році. Процес винайшов Йоганн Нуссбаум з Магдебурга, який розпочав роботу в Нюрнберзі (з партнерами) у 1601 році. В Англії процес запатентували в 1614 році. K. C. Barraclough, Steel before Bessemer: I Blister Steel: the birth of an industry (The Metals Society, London, 1984), 48—52. На той час поняття «винахід» міг полягати лише у впровадженні нового способу виробництва (галузі) чи продукту або навіть простої монополії. Процес цементації заліза у 1722 році описав Рене Реомюр у своїй книзі «Мистецтво перетворення зварного заліза на сталь». L'art de convertir le fer forgé en Acier, et l'art d'adoueir le fer fondu, ou de faire dea Ouvrages de fer fondu aussi finir que de fer forgé. Par Monsieur de Réaumur, de l'Académie Royale des Sciences. A Paris, 1722. William F. Durfee. The Development of American Industries Since Columbus. VIII. The Manufacture of Steel. // Popular Science Monthly. Volume 39, October 1891. Pp. 732—734. Реомюр висунув теорію навуглецювання заліза, що дала перше наукове пояснення відмінностей у властивостях ковкого (зварного) заліза і сталі. У часи Реомюра вуглець ще не був ідентифікований як хімічний елемент і Реомюр його називав «сірчано-солевою матерією» або «горючою складовою деревного вугілля». Реомюр відзначав, що додаючи «сірчано-солеву матерію» у м'яке залізо, можна одержати сталь.
З 18 ст. цементову сталь виробляти як сировину для переплавки у тиглях і одержання високоякісної тигельної сталі, що на відміну від цементової сталі була чистішою від домішок — не мала включати шлаку. У Швеції протягом майже 2 століть — з 18 ст. до 1-ї половини 20 ст. — виготовляли цементову сталь для експорту в Англію (особливо у Шеффілд), де її переплавляли і одержували тигельну сталь. Brännstål. // Nordisk familjebok / Uggleupplagan. 4. Brant — Cesti. 1905. 421—422. У 1899 році в Швеції в 6 печах, які тоді діяли, було вироблено 974 тонни цементової сталі.
Процес цементації У різні історичні епохи процес цементації провадився в різних нагрівальних агрегатах і в різних масштабах, відповідно до рівня розвитку техніки. Якщо в стародавні часи цементацію за 1 процес проводили лише у невеличких об'ємах (кілька кілограмів металу) і у невеличких горнах або на відкритому вогнищі, то у 18—19 століттях у разі потреби для цього процесу використовувалися великі цементувальні печі, в яких за 1 раз піддавали цементації 10—20 т металу. Однак сутність процесу від цього не мінялася. Використовували зазвичай деревно-вугільний порошок. Інколи — невелику кількість кухарської солі.
Процес цементації полягає у насичені заліза вуглецем. Залізо поглинає вуглець з вугілля і перетворюється на сталь. Цементація може бути поверхнева і наскрізна. Глибина цементації, тобто товщина шару заліза, що насичується вуглецем, залежить від тривалості перебування його у контакті з вугіллям й відтак її можна регулювати за бажанням. Цементація заліза (заготовки чи готового виробу) розповсюджується лише на певний шар, що примикає до його поверхні, не проникаючи далеко в глиб його. Процесом цементації залізним виробам надається здатність утворювати поверхневий гарт, тобто тверду зовнішню корку, що надає залізу властивості загартованої сталі. Не тільки немає потреби, але й небезпечно надавати залізній машинній частині занадто глибоку цементацію, а відтак, і занадто глибокий гарт, бо цим зменшується товщина в'язкого ядра цієї частини, а тому збільшується її крихкість. Якщо треба отримати метал, що відрізняється всуціль найбільшою твердістю, хоч би й на шкоду в'язкості, то цементацію продовжують довше, і у результаті виходить вже не остальоване тільки на поверхні залізо, а вся його маса перетворюється на справжню сталь. Матеріалом для виготовлення подібної сталі слугують залізні штиби товщиною 10—20 мм, завширшки 60—100 мм і завдовжки 3—4 м. Якщо нагрівання короткочасне, навуглецювання відбувається лише на поверхні заліза, але за тривалого нагрівання вуглець проникає поступово по всьому залізу.
Хід процесу Наприкінці 19 — початку 20 століть давалося таке пояснення процесу цементації заліза. Як тільки температура деревного вугілля, що оточує метал, піднімається достатньо високо, кисень повітря, змішаного з вугіллям, реагує з вуглецем вугілля з утворенням монооксиду вуглецю (CO). За червоного жару залізо достатньо проникне для цього газу, який дифундує у залізні вироби і при контакті з нагрітим залізом дісоціює на двоокис вуглецю і вуглець, 2CO → + C вуглець з'єднується з залізом, а вуглекислий газ дифундує назовні, і там, контактуючи з вуглецем гарячого вугілля, знову перетворюється на монооксид вуглецю + C → 2CO що дифундує у залізо, і таким чином процес продовжується і у металі накопичується вуглець. Як тільки відкладається (накопичується) певна кількість вуглецю на певній глибині, вуглекислий газ, що утворився вже у глибших шарах металу і дифундує через це місце, має тенденцію з'єднуватися з вуглецем, і таким чином встановлюється рухома хімічна рівновага, вуглець більше не відкладається у цій точці, доки через часткове насичення заліза поза нею, кількість вуглекислого газу, що проходить, не зменшиться; потім відкладення вуглецю може знову тривати, і так далі.
Утворення пухирців на поверхні цементової сталі пояснюється таким чином. Зварне залізо ніколи не буває однорідним, воно містить розсіяні в ньому включення шлаку і оксидів заліза. Шлак являє собою силікати заліза — FeSiO3 (в іншому записі FeO•SiO2) і Fe2SiO4. Якщо молекула вуглецю буде відкладена біля частинки оксиду заліза, або силікату заліза, відбудеться відновлення заліза з утворенням газу CO.
Реакція з оксидом заліза Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO. Реакція з FeO, складовою силікату, FeO + C → CO + Fe.
оксид вуглецю, що виділяється, намагатиметься займати значно більше об'єму, ніж тверді тіла, з яких він утворився, і, отже, чинить дуже великий тиск. Якщо утворення газу відбулося в масі заліза газ залишається під тиском, поки він не зможе вийти шляхом дифузії, але якщо він знаходиться біля поверхні, тонка металева оболонка не може протистояти тиску, і утвориться пухир. Якщо залізо, що піддається цементації, було якісно виготовлено, так щоб включення оксидів і шлаку були дрібними і рівномірно були розподілені, пухирі будуть невеликими та розкиданими досить рівномірно по поверхні, якщо, навпаки, залізо не було добре виготовлено, пухирів буде менше, а їхній розмір більшим. Якщо для цементації використовувати метал, який не містить шлаку чи оксидів заліза, то пухирі не утворюються.
Цементація поверхнева Цементації піддавали готовий виріб, бо в цьому разі він добре протистоїть тисним і стиральним зусиллям і в той же час не має властивостей крихкості й ламкості, якими відзначаються вироби, що складаються з суціль загартованої сталі. Завдяки таким властивостям оцементованих залізних частин їх широко використовували у машинобудуванні, саме в ролі таких машинних частин, що мали витримувати сильне тертя на поверхні й водночас зазнавати ударів і струсів.
У 19 столітті для цементації невеликих виробів, їх (1 або кілька виробів відразу) поміщали у залізний ящик впереміш з вугіллям, герметично закривали, обмазували ящик вогнетривкою глиною і нагрівали на відкритому горні (наприклад, ковальському) або, що краще, не на відкритому вогні, а у особливій замкнутій жаровій печі.