Оборудование для цементации стали

Для цементации применяют низкоуглеродистые стали, 0,1. 0,3% углерода, чтобы обеспечить вязкость сердцевины изделия.

После цементации концентрация углерода на поверхности детали повышается до 0,8. 1,1%, что обеспечивает после закалки высокую твердость и износостойкость. Цементации подвергают небольшие шестерни, поршневые пальцы, распределительные валы и др. В качестве примера рассмотрим небольшие (мелкомодульные) шестерни.

Поверхность зуба должна быть твердой и износостойкой, то есть структура здесь должна быть из мартенсита, но углерода в нем должно быть не ниже 0,8% (см. рис. 8.10). Сердцевина зуба должна быть вязкой, чтобы деталь воспринимала ударные нагрузки, поэтому используем малоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,1. 0,3%.

Детали перед цементацией проходят механическую обработку. Те участки поверхности, которые не подлежат цементации, защищают тонким слоем меди (0,02. 0,04мм), который наносится электролитически.

Рис. 10.2. Диаграмма состояния «железо-углерод», распределение углерода по толщине цементованного слоя и строение слоя

Выбор температуры цементации.При температурах до 910 о С проводить цементацию нет смысла, так как растворимость углерода в феррите очень небольшая, до 0,025% С, и эффект повышения твердости тоже небольшой.

При температурах выше 910 о С проводить цементацию можно, так как растворимость углерода в аустените большая, до 2,14%С, и эффект повышения твердости тоже большой.

Поэтому цементация проводится при 930. 960 о С, то есть немного выше 910 о С, когда зерно аустенита еще не крупное.

Строение цементованного слоя после отжига тесно связано с диаграммой «железо — углерод» (рис. 10.2.).

При температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита. При этом он имеет переменную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. После медленного охлаждения цементованный слой состоит из продуктов распада аустенита, то есть феррита и цементита. В связи с этим в структуре цементованного слоя можно выделить три зоны. К поверхности детали прилегает заэвтектоидная зона с концентрацией углерода от 1,1 до 0,8%, состоящая из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по границам зёрен бывшего аустенита. Затем следует эвтектоидная зона с концентрацией углерода 0,8%, состоящая из одного пластинчатого перлита. За этой зоной следует доэвтектоидная зона с концентрацией углерода от 0,8% до исходной концентрации его в стали (0,1. 0,3%С). Структура этой зоны состоит из перлита и избыточного феррита, причём количество перлита уменьшается по мере приближения к сердцевине детали до исходного в стали.

За толщину цементованного слоя принимают заэвтектоидную зону со структурой П + Ц_II плюс эвтектоидную зону со структурой П и половину доэвтектоидной зоны со структурой Ф + П Обычно толщина цементованного слоя составляет до 2 мм. После закалки в слое вместо перлита будет мартенсит высокоуглеродистый с высокой твердостью и износостойкостью.

Виды цементации. Различают цементацию твердыми карбюризаторами и газовую цементацию.

Цементация твердыми карбюризаторами(рис. 10.3).

Рис. 10.3. Схема цементации твёрдыми карбюризаторами

Твердый карбюризатор содержит: древесный уголь, активизатор, наполнитель.

Древесный уголь наиболее подходит для цементации. Если его нет, то можно использовать каменноугольный полукокс или торфяной кокс.

Активизатор ВаСО₃ активизирует процесс насыщения стали углеродом (см. ниже).

Наполнитель – сода Na₂CO₃, нужна, чтобы не было комкования, то есть чтобы карбюризатор был в порошкообразном состоянии.

Количество активизатора и наполнителя составляет 10. 40% от массы угля. Широко применяемый карбюризатор состоит из древесного угля, 20. 30% ВаСО₃ и 3,5% Na₂CO₃.

Рабочий карбюризатор содержит 25. 35% свежее приготовленного карбюризатора, а остальное — отработанный. Это делается с тем, чтобы удешевить процесс цементации.

Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики — короба (сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной или цилиндрической формы). При укладке деталей их пересыпают карбюризатором и утрамбовывают. При этом расстояние между деталями должно быть не менее 10. 15 мм.

Затем короб закрывают крышкой и герметизируют, то есть обмазывают огнеупорной глиной, чтобы уголь не сгорел полностью.

Через крышку внутрь короба вставляется свидетель — это стержень из той же стали, из которой сделаны детали. Чтобы не резать деталь, на этом свидетеле-стержне после цементации в заводской лаборатории определяют структуру и толщину цементованного слоя, а также его твердость.

После этого короб нагревают до 930. 960 o С и дают выдержку из расчета: за 1 час образуется слой 0,1 мм. Если нам нужно получить слой толщиной 2 мм, то цементацию надо проводить в течение 20 часов.

В коробе при 930. 960 o С идут следующие процессы, то есть реакции.

где O₂ — оставшийся кислород воздуха в коробе, С — древесный уголь (идет неполное сгорание угля, то есть без доступа воздуха). В цементационном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодействует с древесным углем, образуя оксид углерода, то есть идет неполное сгорание угля.

Оксид углерода при высоких температурах в присутствии железа, которое является катализатором, разлагается, то есть диссоциирует:

Атомарный углерод адсорбируется на поверхности и диффундирует в глубь детали. Кроме этих реакций идет диссоциация ВаСО₃.

где С — древесный уголь.

Образовавшийся оксид углерода пополняет уже разложившийся оксид, который получается при неполном сгорании древесного угля, то есть активизирует процесс насыщения.

Затем короб охлаждают на воздухе, раскрывают его, извлекают детали, очищают и промывают их от карбюризатора и делают термообработку: закалку с последующим низким отпуском.

Преимущества этого метода насыщения:

· простота и доступность процесса;

· из-за трудности механизации и автоматизации процесса применяется в единичном и мелкосерийном производстве.

Недостатки:

· нельзя регулировать строение и свойства цементованного слоя, ведется только контроль по свидетелю, чтобы не резать де­таль;

· низкая культура производства: из-за карбюризатора в цехе много грязи.

Газовая цементация(рис.10.4).

Газовая цементация требует более сложного оборудования, в частности установки для получения газа и специальных печей, в которых установлены форсунки для подачи природного газа или жидких углеводородов. Через эту печь проходит конвейер, на нем располагаются детали, подлежащие цементации. Скорость движения конвейера рассчитывается так, чтобы детали в печи находились требуемое время для насыщения поверхности углеродом. Эти печи герметизированы, поэтому природный газ или жидкие углеводороды не сгорают или сгорают неполностью.

При выходе из печи детали еще находятся на конвейере, который как консоль выступает из цементационной печи на некоторое расстояние, чтобы детали успевали подстуживаться после цементации до закалочной температуры, 860оС. Затем детали подают с конвейера в закалочный бак, после чего дают низкий отпуск.

Через форсунки подается либо природный газ CH₄, либо жидкие углеводороды (бензин, керосин, мазут, спирт и т.д.), которые при неполном сгорании образуют оксид углерода, обеспечивающий процесс насыщения поверхности углеродом (см. выше).

Если же подается природный газ, то идет диссоциация его без доступа воздуха по реакции:

Газовую цементацию проводят при 930. 960 o С, а продолжительность насыщения определяется из условия, что за 1 час образуется слой толщиной 0,15 мм.

При мелкосерийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи (муфель) жидких углеводородов. При цементации в шахтных печах трудно регулировать концентрацию углерода в цементованном слое, а, следовательно, и регулировать строение и свойства слоя.

При крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия (см. рис. 10.4), работающих, как правило, в автоматическом режиме. В этих печах используют природный газ, они состоят из двух зон. Первая зона занимает 2/3 всей длины печи, и в нее подается насыщающий газ, который состоит из эндогаза и 10. 15% CH₄. Эндогаз (см. термообработку) используют вместо воздуха, чтобы детали не окислялись. Изменяя процент содержания природного газа в этой смеси, мы можем менять, то есть регулировать строение и свойства цементованного слоя. В данной зоне концентрация углерода в слое достигает 1,2. 1,3%.

Вторая зона печи занимает 1/3 всей длины печи, и в нее подается только эндогаз с углеродным потенциалом 0,8% С. В этой зоне идет рассасывание слоя, образовавшегося в первой зоне, в котором, как правило, есть Ц_II залегающий в виде хрупкой сетки по границам зерен, что нежелательно. Во второй зоне с углеродным потенциалом 0,8%С эта сетка Ц_II рассасывается и концентрация углерода в слое понижается до 0,8%. Кроме того, при рассасывании слоя во второй зоне печи толщина слоя увеличивается.

Преимущества:

возможность механизации и автоматизации процесса. Как правило, на всех автомобильных заводах эти печи работают в автоматическом режиме;

· применяется в массовом и серийном производстве;

· упрощается термообработка — закалку ведут сразу же из цементационной печи с подстуживанием деталей до температуры закалки, равной 860 o С;

· можно регулировать строение и свойства цементованного слоя.

Недостаток— сталь насыщается не только углеродом, но и водородом — появляется водородная хрупкость стали.

Структура:

· на поверхности — мартенсит отпуска высокоуглеродистый с высокой твердостью и износостойкостью;

· в сердцевине структура зависит от химического состава стали и режима термообработки.

У углеродистых сталейструктура Ф+П. У легированных сталей,если температура закалки ниже А_С3, структура будет Ф+М (или Б_ниж), если температура закалки окажется выше А_С3, то структура будет либо Б_ниж, либо М низкоуглеродистый (0,1. 0,3% С) с пониженной твёрдостью (до 30 HRC), но зато с повышенной ударной вязкостью.

Дата добавления: 2014-12-01 ; просмотров: 7033 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Конструкция цементационных ящиков оказывает большое влияние на продолжительность процесса цементации и качество цементуемых деталей. К цементационному ящику предъявляются следующие требования: 1) форма ящика должна приближаться к форме цементуемых деталей; 2) должен быть обеспечен наиболее быстрый прогрев деталей; 3) рабочее пространство печи должно использоваться эффективно. Для цементации применяют прямоугольные ящики (наибольшие размеры ящика 250x500x300 мм). Ящики изготовляют из стали, чугуна и жаростойких сплавов; стойкость сварных ящиков до 150—200 ч, литых (стальных и чугунных) — 250—500 ч, из жаростойких сплавов — 4000—6000 ч.

Упаковка деталей в цементационный ящик производится следующим образом. На дно ящика насыпают слой карбюризатора 2 толщиной 30—40 мм; на него укладывают первый ряд деталей. Расстояние между деталями и между деталями и стеной ящика 20—25 мм. На первый ряд деталей насыпают слой карбюризатора толщиной 20— 25 мм, укладывают следующий ряд деталей 4, снова засыпают карбюризатором, и так до полного заполнения ящика. Верхний ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 20—35 мм, При упаковке деталей карбюризатор плотно утрамбовывают, Сверху укладывают лист асбеста, ящик закрывают крышкой 5 и обмазывают глиной. Через отверстия, имеющиеся в крышке, в ящик вставляют два указателя 6, служащие для контроля цементации.

Ящики с упакованными в них деталями сушат на воздухе и затем устанавливают в печь, нагретую до температуры цементации (900—950° С); при этом температура печи снижается. При температуре 780—800° С следует проводить сквозной прогрев ящиков, что обеспечивает более равномерную цементацию. Затем температуру быстро повышают до 900—950° С и выдерживают в зависимости от требуемой толщины слоя: при толщине слоя до 1 мм скорость цементации составляет 0,15 мм/ч; при толщине слоя более 1 мм-0,1 мм/ч.

Зубчатые колёса из стали 18ХГТ подвергают газовой цементации ( при температуре 920 — 950°C ) с непосредственной закалкой из цементационной печи после предварительного подстуживания до 840 — 860°C. После закалки — отпуск при температуре 180 — 200°C.

Газовая цементация осуществляется в стационарных (непрерывно-действующих) печах. Цементирующий газ приготавливают отдельно и подают в цементационную реторту. При газовой цементации происходит три процесса:

• 1) Диссоциация — состоит в распаде активных атомов диффундирующего элемента.
• 2) Абсорбция — происходит на границе газ — металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов.
• 3) Диффузия — состоит в проникновении насыщающего элемента вглубь.

Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды. Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:

CnH2n + 2 > (2n + 2) H + nC

Как видно из приведенных выше реакций, в результате распада углеводородных соединений образуется свободный углерод. Если поверхность стали не поглощает весь выделяющийся углерод (абсорбция отстает от диссоциации), то свободный углерод, кристаллизуясь из газовой фазы, откладывается в виде плотной пленки сажи на детали, затрудняя процесс цементации. Поэтому для рационального ведения процесса газовой цементации нужно иметь газ определенного состава и регламентировать его расход.

Таким образом, при температуре цементации мы получаем аустенит переменной концентрации от 1,2 — 1,3 %С (при температуре процесса 860 ?С) до 0,1 — 0,15 %С. При охлаждении от цементации до нормальной произойдет превращение в соответствии с содержанием углерода в данном слое.

Поверхностная зона, в которой углерода 0,8 — 0,9% имеет структуру перлит + цементит, затем следует зона с содержанием углерода около 0,8%, после следует зона с содержанием углерода менее 0,7% плавно переходящая в структуру сердцевины.

Содержание углерода в наружном слое не должно превышать 1,1-1,2% т. к. большое содержание углерода приводит к образованию вторичного цементита, который повышает хрупкость.

Задача цементации — обеспечить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине — не решается одной цементацией. Окончательно формируют свойства последующей закалкой. В нашем случае закалку можно проводит сразу после цементации. С целью уменьшения деформации и коробления колёс их закалку проводят в горячем масле (180?С).

Безусловным и неоспоримым преимуществом проведения процессов цементации, нитроцементации и азотирования в вакууме (под парциальным давлением технологического газа) является:

• Существенное уменьшение времени процесса по сравнению с традиционными (атмосферными) методами, что особенно актуально при большой глубине цементированного слоя ( до 4,5 мм менее чем за 30 часов ). Это возможно благодаря проведению цементации при более высоких температурах ( до 1100 °С ). Такой эффект дает колоссальную экономию энергоресурсов и производственного времени.
• Повторяемость результатов
• Не образуется копоти и сажи — проблемы, которые возникают при работе с пропаном
• Точный контроль глубины цементированного слоя
• Однородный цементированный слой с высокой концентрацией углерода на всех поверхностях деталей сложной геометрической формы, имеющие сквозные и глухие отверстия.
• Высокая надежность и долговечность работы всех компонентов оборудования ввиду отсутствия формирования слоя сажи и нагара.

Для проведения химикотермических процессов ( цементация, азотирование, нитроцементация и газовая закалка 12 бар и более) IPSEN имеет линейку вакуумных печей Ipsen TurboTreater®.

Концепция Ipsen TurboTreater®

• ЦИЛЛИНДРИЧЕСКАЯ ЗОНА НАГРЕВА – САДКИ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ
• ПРИМЕНЕНИЕ ЗОН НАГРЕВА ИЗ ГРАФИТА ИЛИ МЕТАЛЛА; ОТСУТСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ В ЗОНЕ НАГРЕВА
• ОРБИТАЛЬНОЕ (360°) ОХЛАЖДЕНИЕ – ОДНОРОДНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
• ВСТРОЕННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ – ВЫСОКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
• СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ С ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ – БЫСТРАЯ ЗАКАЛКА
• КОМПАКТНЫЙ РАЗМЕР – НЕБОЛЬШАЯ ПЛОЩАДЬ ДЛЯ УСТАНОВКИ
• УМЕНЬШЕННЫЙ ВНУТРЕННИЙ ОБЪЕМ – НИЖЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ГАЗА

Типовые размеры вакуумных печей Ipsen TurboTreater®:

Модель	Стандартный размер рабочей камеры ШхВхГ, мм	Альтернативный размер рабочей камеры ШхВхГ, мм	Вес садки , Кг
Горизонтальные
Н2424	457х355х610	178х457х610 533х203х610	181
Н3636	610х610х914	305х711х914 762х406х914	680
Н5448 ST5448	914х914х1219	254х1092х1219 1219х432х1219	1 361
Н6648	1219х1219х1424	584х1422х1524 1574х711х1524	2 268
Н6672 ST6672	1219х1219х1829	584х1422х1829 1574х711х1829	2 722
Н77100 ST77100	1524х1219х2539	686х1524х2540 1854х610х2540	4 545
Вертикальные с подъёмным подом	Диам х Высота, мм	Вес садки, кг.
GV 3636	914х914	907
GV 4854	1219х1372	1 361
GV 6060	1524х1524	1 815
GV 60120	1524х3048	2 268
GV 7272	1829х1829	2 268
GV 7296	1829х2438	2 727
GV 12096	3048х2438	9 090

В вакуумных печах Ipsen применяется запатентованный процесс для вакуумной цементации с Ацетиленом — AvaC. Хорошо опробованный процесс AvaC® — цементация под низким давлением с использованием ацетилена – это альтернативная технология классическим технологиям цементации.

Преимущества этого процесса по сравнению с газовой цементацией очевидны:

• Процесс AvaC® обеспечивает высокую скорость переноса углерода с полным исключением окисления поверхности;
• Процесс легко управляется и даёт исключительно высокие стабильные результаты получения однородного цементированного слоя даже на сложных геометрических поверхностях и глухих отверстиях;
• Будучи практически экологически чистым просессом, его расходы газа и электроэнергии относительно небольшие, а возможность проведения в той же печи последующей закалки газом высокого давления минимизирует поводки деталей, исключая необходимость в их мойке после закалки;
• Процесс контролируется и управляется простой в использовании, надёжной и точной системой управления Vacu-Prof®.

Оснащение вакуумной печи для цементации состоит из :

• 1 IPSEN программное обеспечение AvaC® эксперт;
• 1 кориолисовый расходомер C₂H₂, а также необх. арматуры;
• 1 внутренняя система распределения технологического газа;
• 1 регулирование давления во время процесса цементации;
• 1 механическая насосная система с регулируемой производительностью насоса;
• 1 специальный фильтр в насосной системе;
• 1 дополнительный прибор измерения давления для прямого измерения давления технологического газа;
• N₂-предохранительная продувка насосной системы во избежании образования взрывчатой смеси газа/воздуха;

Печь может быть оборудована для проведения процесса нитроцементации под низким давлением „AvaC®-N“ с применением ацетилена и аммиака.

• IPSEN программное обеспечение AvaC®-N;
• регулятор расхода C₂H₂, а также необх. арматуры;
• регулятор расхода NH₃, а также необх. арматуры;
• внутренняя, распределительная система технолог. газа компоненты насосной системы стойкие к воздействию NH₃;

Для азотирования нержавеющих сталей применяется процесс SolNit-M®

Преимущества процесса поверхностного азотирования перед процессом цементации для нержавеющих сталей:

• отсутствие богатых хромом осаждений, т.е. коррозиеустойчивость (заметный рост);
• высокая теплостойкость;
• без окисления поверхности;
• регулирование содержания азота на поверхности простое регулирование процесса (температура и парциальное давление);
• недорогой, надёжный технологический газ (N₂);
• малый расход газа за счёт прерывающего потока;
• одинаковая активность азота по всей поверхности ;

• гнёзды
• шлицы
• опорные поверхности, и т.д.
• маскирование: трудно

Ход процесса:

• Нагрев до рабочей температуры (1050°C-1150°C)путём продувки газом аргон (или под вакуумом)
• Впуск N₂-газа
• Настройка необходимого pN₂
• Выдержка для необходимой диффузии
• Закалка
• Возможно глубокое охлаждение, измельчение зерна и отпуск

Примеры применения процессов :

Материал: X₁₄CrMoS₁₇ (1.4104)
Обработка: SolNit-M: 1150°C
Глубокое охлаждение:- 80°C
Отпуск: 150°C
Твёрдость поверхностного слоя: 655 HV10
Глубина азотирования: ≈ 0.7 мм

Материал: 1.4024 X₁₅Cr₁₃
Обработка: SolNit-M, низко-температурная -40°C,
отпуск 150°C
Твёрдость поверхностного слоя: 660 HV2 (58.3 HRC)
Твёрдость сердцевины: 46 HRC
Глубина азотирования: ≈ 0.6 мм