Газовая цементация

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементованные изделия приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.

Цементация широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди, которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, содержащими маршалит, буру, каолин, тальк, асбестовый порошок, которые разводят в жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией (нитроцементацией) подвергнуть промывке в 3 - 5 % содовом раствор

Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:

повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;

сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы, так как отпадает необходимость в упаковке и распаковке деталей, хранении и транспортировке ящиков и карбюризатора;

сокращается потребность в жаростойком материале, так как расход его на муфели и приспособления при газовой цементации гораздо меньше, чем на ящики при цементации в твердом карбюризаторе;

появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя заданной глубины и насыщенности;

уменьшается деформация деталей вследствие более равномерного нагрева до рабочей температуры;

улучшаются санитарно-гигиенические условия труда;

появляется возможность непосредственной закалки деталей после цементации;

применение печей непрерывного действия позволяет полностью механизировать и автоматизировать процесс и установить агрегат для термической обработки в поточной линии механического цеха.

Недостатки процесса газовой цементации:

необходимость в более сложном и дорогом оборудовании;

потребность в более квалифицированной рабочей силе;

сложность эксплуатации оборудования вследствие необходимости обеспечения герметичности печи, равномерной циркуляции газов и др.;

сложные требования по технике безопасности.

На заводах массового и крупносерийного производства газовая цементация постепенно вытесняет цементацию в твердом карбюризаторе.

Газовая цементация применяется почти во всех отраслях машиностроения и непрерывно совершенствуется. Опыт подтверждает экономическую эффективность ее внедрения не только в массовом и крупносерийном, но также в мелкосерийном и даже в индивидуальном производстве.

При газовой цементации применяют два вида карбюризаторов — жидкие и газообразные. Жидкие карбюризаторы вводятся непосредственно в цементационную печь и там под действием высокой температуры превращаются в газ либо подвергаются предварительной обработке в специальных установках для получения газа, пригодного для цементации. Таким образом, независимо от исходного состояния карбюризатора цементация осуществляется газами. В состав среды для цементации входят газы, содержащие углерод (окись углерода, углеводороды и двуокись углерода), а также газы, не содержащие углерода (азот, водород, кислород и пары воды).

Углеводороды являются основными науглероживающими газами, причем главную роль среди них играет метан. Содержание метана в цементующей среде 1 - 40%. Окись углерода как науглероживающий компонент в условиях газовой цементации имеет второстепенное значение, хотя содержание ее в газовой фазе может достигать значительной величины (до 30%). Содержание кислорода и двуокиси углерода обычно невелико и в сумме не превышает 2 - 3%; содержание водорода, являющегося обезуглероживающим газом, в цементующей среде может достигать 80%.

Химизм газовой цементации. При нагреве до высокой температуры науглероживающие газы — окись углерода и углеводороды — разлагаются с выделением активного (атомарного) углерода:

2CO =C + CO₂;
C_nH_2n=2nH + nC;
C_nH₂_n₊₂ = (2n+2)H + nC.

С повышением температуры первая реакция идет в сторону образования СО, а вторая и третья — в сторону образования углерода и водорода. При разложении предельных углеводородов, кроме продуктов распада, образуются непредельные углеводороды. Например, разложение бутана можно представить следующими реакциями:

C₄H₁₀ => С₄Н₈ + Н₂;
C₄H₁₀ => С₂Н₆ + С₂Н₄;
C₄H₁₀ => С₃Н₆ + СН₄.

Разложение метана также приводит к образованию непредельных углеводородов:

2СН₄=> С₂Н₆ + Н₂;
2СН₄=> С₂Н₄ + 2H₂;
2СН₄ => С₂Н₂ + 3Н₂;
СН₄ => С + 2Н₂.

В отличие от бутана, пропана и этана при разложении метана выделяется лишь 8 - 9% непредельных углеводородов. Поэтому метан можно применять непосредственно для цементации, в то время как применение бутана и других предельных углеводородов требует предварительной переработки. Сущность такой переработки сводится к получению разбавленного газа, содержащего мало углеводородов, и последующему смешиванию этого газа в нужной пропорции с богатыми углеводородами газами (пропаном, бутаном и др.). Может возникнуть вопрос: нельзя ли вместо этого вводить в цементационную печь богатый углеводородами газ, уменьшив его подачу? Оказывается, что нельзя, так как наряду с уменьшением саже- и коксообразования при этом уменьшается науглероживающая активность газа, причем настолько, что процесс цементации практически не происходит.

Цементация может осуществляться в контролируемой атмосфере с регулируемым углеродным потенциалом или при подаче жидкого карбюризатора в печь в течение всего процесса науглероживания. Проведение процесса цементации при постоянном углеродном потенциале атмосферы требует большой длительности для получения заданной эффективной толщины слоя. Для уменьшения длительности процесса на многих заводах применяют двухступенчатую цементацию. В начале процесса поддерживают максимально возможный углеродный потенциал атмосферы (активный период), а затем его снижают чаще до 0,6 - 0,9 % (диффузионный период). Так как скорость выделения углерода из атмосферы возрастает с повышением углеродного потенциала, а его диффузия в аустените увеличивается с повышением градиента концентраций, то в активный период рост толщины слоя идет с большой скоростью. Величина углеродного потенциала в активный период определяется составом цементуемой стали и не должна превышать предела растворимости углерода в аустените при данной температуре насыщения.

Поддерживать углеродный потенциал атмосферы в активный период выше 1,3 - 1,4 % без образования карбидов и сажи трудно. Легирующие элементы (Cr, Mn, Ti и др.) уменьшают растворимость углерода в аустените. Во многих сталях при содержании углерода в аустените 0,8 % уже образуются карбиды. Это приводит к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами и при последующей закалке на глубине 0,15 - 0,2 мм могут образоваться немартенситные структуры, что влечет за собой снижение механических свойств. Образование карбидов и сажи исключает возможность автоматического регулирования процесса науглероживания по содержанию Н₂О и СО₂. Сажа приводит к преждевременному разрушению футеровки, нагревательных элементов и оснастки цементационной печи. Поэтому нужно строго регламентировать количество метана (природного, городского газа), вводимого в печь в период насыщения.

На второй стадии происходит диффузионное перераспределение углерода в слое с получением требуемой концентрации на поверхности и распределение углерода по толщине слоя. Величина углеродного потенциала в диффузионный период устанавливается в зависимости от требуемой толщины слоя, марки стали и требуемых свойств детали.

При оптимальном соотношении длительности активного и диффузионного периода общее время цементации для получения заданной толщины слоя может быть значительно сокращено.

Применение двойного цикла цементации позволяет увеличить толщину насыщения стали углеродом в 1,65 - 1,8 раза при одновременном повышении эффективной толщины почти в четыре раза. Для получения таких же результатов при одинарном цикле (при постоянном углеродном потенциале 0,8) требуется в 1,5 - 2,0 раза больше времени. Одновременно двухступенчатая цементация по сравнению с одноступенчатой дает лучшее распределение углерода по толщине слоя.

В настоящее время наиболее перспективным методом газовой цементации является насыщение в эндотермической атмосфере с контролируемым углеродным потенциалом. В начале процесса (в активный период насыщения) поддерживают высокий углеродный потенциал атмосферы за счет добавки к эндотермической атмосфере необработанного углеводородного газа (метана или пропана-бутана). В диффузионный период углеродный потенциал атмосферы устанавливается 0,8 - 1,0 % и количество добавляемого углеводородного газа резко уменьшается.

Исследования, проведенные В. Д. Кальнером и другими, показали, что окисные пленки типа цветов побежалости при кратковременных процессах ускоряют науглероживание. В эндотермической атмосфере пленки окислов легко восстанавливаются, образуя тонкий пористый слой чистого железа. Этот слой является хорошим катализатором диссоциации молекул CO и благодаря развитой поверхности обладает высокой адсорбирующей способностью. Слой восстановленного железа не содержит легирующих элементов, поэтому в нем возрастает коэффициент диффузии и растворимость углерода достигает при температуре насыщения 1,4 %, как в нелегированном аустените.