Высокотемпературная вакуумная закалка и цементация

При ТО и ХТО в углеродсодержащей среде при пониженном давлении не наблюдается окисления и обезуглероживания стали па протяжении всего цикла термической обработки; появ­ляется возможность значительного сокращения длительности про­цесса за счет активации поверхности и повышения температуры насыщения. Наиболее перспективна вакуумная ТО и ХТО для сталей с малой склон­ностью к росту зерна.

Технологическими параметрами процесса наряду с температуройт нагрева и длительностью выдержки является состав атмосферы и давление. Содержание углерода в цементованном слое регулируется цикличностью подачи цементирующего газа и парциальным давлением метана (газа – карбюризатора) в печи. Конкретные режимы подбирают в зависимости от марки стали и типа деталей.

Процесс цементации включает следующие этапы: загрузку деталей в вакуумную печь типа СНВ (состоящую из камеры цементации, охлаждения и встроенного закалочного бака) и создание вакуума 1 —10 Па, нагрев до заданной температуры (при цементации 1000-1100^оС), выдержку для дегазации и активации поверхности деталей; подачу углеродсодержащего газа (метана) в случае цементации и выдержку деталей для прогрева и насыщения (при Ц); охлаждение садки в вакуумном масле или в азоте, разгрузку печи. Ускорение процесса при вакуумной цементации весьма значительно: слой 0,7—0,8 мм для стали 12ХНЗА достигается за 2,5 час.

Для вакуумной цементации не требуется газа-носителя (эндогаза, экзо-эндогаза), в печь подается только очищенный природный газ, реже пропан или бутан. Печи оснащены блоками подготовки и дозирования газов, контроля состава и парциального давления газов. Печи обеспечивают высокую скорость нагрева и охлаждения садки и возможность проведения процесса термообработки при сравнительно невысоком вакууме с нагревом до 2200⁰С. В России вакуумные печи изготавливают конструкции ВНИИЭТО.

Процесс вакуумной цементации включает 2 периода:

1. Активный период насыщения (рис. 76), в течение которого в печь подают насыщающий газ до создания оптимального давления 1,3-10⁴—3,9-10⁴ Па. Для поддержания высокого углеродного потен­циала подачу газа производят в течение всего активного периода.

При отсутствии в атмосфере паров воды и СО₂ насыщение происходит за счет реакции

СН_4«Fе_у(С) + 2Н₂.

В этот период концентрация углерода на поверхности достигает величины, близкой к пределу его растворимости в аустените при данной температуре.

2. Диффузионный период (диффузия в вакууме). В этот период прекращают подачу газа в камеру и печь вакуумируют (рис. 76). В процессе выдержки при температуре насыщения происходит диф­фузия углерода вглубь, а концентрация его на поверхности дости­гает оптимальной (0,8—1,0 %).

 

После окончания цементации садка охлаждается ниже эвтектоидной температуры А_Г1 обычно до 500—600 °С (рис. 76). Для ускоре­ния охлаждения в печь подают азот, аргон или гелий до давления, близкого к атмосферному. Далее следует повторный нагрев до температуры закалки (рис. 76); закалка осуществляется путем погружения поддона с деталями в масляную закалочную ванну (рис. 75). После закалки следует отпуск при 180 °С рис. 76).

На ВАЗе для получения эффективной тол­щины 1,2 — 1,4 мм (до 0,4 % С) и концентрации углерода на поверх­ности 0,9% применяют режим: τ₁= 30 мин С_г=1.4% и τ₂= 50 мин при С_г=0.9%.

Процесс В ТО и Ц имеет ряд преимуществ: отсутствие газоприготовительных установок; сокращение длительности про­цесса за счет активации поверхности и более высокой температуры; получение светлой поверхности деталей после цементации; отсутствие кислородсодержащих компонентов в атмосфере исключает внутреннее окисление и обезуглероживание деталей; улучшение условий труда; уменьшение удельного расхода электроэнергии и технологического газа; большая мобильность оборудования (пуск и остановка занимают несколько минут); более высокая культура производства; лучшее проникновение газа-карбюризатора в отвер­стия малого диаметра, что обеспечивает равномерную цементацию внутренних полостей. Недостатком ВЦ является высокая стоимость оборудования.

К числу недостатков вакуумной цементации низколегированных конструкционных сталей относится сильное пересыщение поверхностного слоя углеродом (до 2,5—3,0 %) и образование большого количества карбидов Ме₃ (С) по границам зерен или в виде пластинчатых выделений. В процессе диффузионной выдержки карбидные выделения не претерпевают изменения и снижают предел выносливости, но повышают износостойкость. Процесс ВЦ находит все более широкое применение, особенно на предприятиях с серийным производством.

Светлая закалка и цементация в кипящем слое

ТО и ХТО в псевдоожиженном слое. Высокий коэффициент массо- и теплопередачи, а также турбу­лентность смеси обеспечивают быстрый и равномерный нагрев и насыщение изделий. Скорость нагрева достигает 250—400 °С/мин. Для насыщения используют графит, уголь и другие углеродсодержащие вещества, в качестве инертной среды для формиро­вания «кипящего» слоя — шамот, кварцевый песок, окись алю­миния и др. Применяют также подачу природного газа (10—25 %).

Технологическими параметрами наряду с температурой и дли­тельностью процесса являются также скорость газа-носителя (азота, эндогаза), размер частиц, вид карбюризатора и коэффициент расхода первичного воздуха.

Кипящий слой представляет собой гетерогенную систему, в которой за счет проходящего потока газа (или вибрации) через слой мелких (0,05—0,20 мм) частиц (чаще корунда) создается их интенсивное перемешивание, что внешне напоминает кипящую жидкость.

Частицы корунда располагаются на газораспределительной решетке печи. При определенной скорости прохождения восходящего потока газа (выше критической скорости) частицы становятся подвижными и слой приобретает свойства жидкости (псевдоожиженный слой).

Установка состоит из генератора для получения эндогаза и рабочей зоны, где производится цементация. Как видно из рис. 79, через трубку 9 в эндогенератор, наполненный катализатором (ГИАП-3), поступает природный газ (метан) в смеси с воздухом (а = 0,26-О,27). В генераторе на газораспределительной решетке насыпается слой карборунда для улучшения подвода тепла от стенок в глубь катализатора. Рабочая зона заполнена корундом (размер частиц 100—120 мкм). Цементация проводится в атмосфере кипящего слоя, получаемого добавлением к эндогазу метана. Метан подводится через трубку 3. Узел смешивания эндогаза с метаном 4 располагается между генератором и цементационной зоной.

Достоинствами процесса ТО и цементации в кипящем слое яв­ляются сокращение длительности процесса вследствие большой скорости нагрева и высокого коэффициента массоотдачи углерода, возможность регулирования угле­родного потенциала атмосферы в рабочей зоне печи, уменьшение деформации и ко­робления обрабатываемых деталей за счет равномерного распределения температуры по всему объему печи

Процесс ТО и цементации в кипящем слое может быть использован на заводах мел­косерийного и единичного производства, для замены соляных ванн.

.

Цементация в тлеющем разряде (ионная цементация).

Наиболее важны следующие ее преимущества:

1. Простота управления насыщением с помощью изменения
электрических параметров тлеющего разряда состава газовой
среды.

2. Сокращение длительности процесса в 2—3 раза по сравне­
нию с обычной газовой цементацией за счет интенсификации
реакций взаимодействия на насыщаемой поверхности. При по­
вышении температуры продолжительность процесса сокращается
еще более, при этом не наблюдается внутреннее окисление, отсут­
ствуют выделения сажи на деталях и в камере печи.

3. Уменьшается расход углеродсодержащих газов в 10 и бо­
лее раз.