Technologie plynové cementace s režimy. Teplotní a uhlíkový potenciál, režimy tepelného zpracování.

Tento článek umožní potenciálním zákazníkům podrobněji porozumět možnostem stávajících technologií cementování a výběru optimálního vybavení pro jejich úkoly.

Technologie, zařízení, způsoby monitorování a regulace atmosféry

Obecné informace. Cementování ocelí a slitin je nejběžnějším typem chemicko-tepelného zpracování ve strojírenství. Cementace je adsorpce atomů uhlíku povrchem materiálu a jejich další difúzní pohyb do hloubky kovu za účelem obohacení vnějšího povrchu uhlíkem, přičemž složení základního kovu zůstává nezměněno. Potřebná tvrdost povrchové vrstvy obrobku se získá tvorbou karbidů při náhlém ochlazení.

Následné kalení také zlepšuje mikrostrukturu, která vzniká při dlouhodobém vystavení obrobků vysokým teplotám ve fázi nasycení. Cementování se provádí, když je nutné dodat vnějším vrstvám výrobků zvýšenou tvrdost, odolnost proti opotřebení a pevnost, s relativně plastickým jádrem. Konečným tepelným zpracováním kalených obrobků je nízké popouštění při 180–220 ºС, které přeměňuje vytvrzovaný martenzit nauhličované vrstvy na popuštěný martenzit s nižším napětím.

Hlavní vlastnosti a výhody procesu nauhličování oceli

• Vysoká tvrdost a odolnost cementovaných povrchů proti opotřebení.
• Zvýšení hranice stability kontaktu.
• Je to nejběžnější metoda kalení.
• Zvýšení meze únosnosti v ohybu a kroucení.

Nejlepších výsledků lze dosáhnout, jsou-li cementovány legované oceli s nízkým obsahem uhlíku. Kalený díl tak zůstává tvárný a může současně působit na kontaktní opotřebení, odolávat rázovému zatížení a mít dostatečnou houževnatost a pevnost v ohybu, které nelze při objemovém kalení vysokouhlíkových ocelí dosáhnout z důvodu nedostatečné rázové houževnatosti.

Například: : ozubení a vačky pracují současně pro kontaktní opotřebení a ohyb. Maximální tvrdost vnějšího povrchu a v důsledku toho vysoká odolnost součásti proti opotřebení se dosáhne, když koncentrace uhlíku na povrchu dosáhne rozmezí 0,8-1,2 % uhlíku. Této hodnoty se snaží dosáhnout na samé hraně. Konstrukčně je tloušťka kalené vrstvy nastavena na základě tloušťky obrobku a jeho životnosti a účelu.

Přes cementování obrobku by nemělo být povoleno. Měkké jádro musí zůstat, aby absorbovalo napětí během ohýbání nebo krutu. Pro predikci požadovaných tlouštěk cementovaných vrstev na hotových dílech je nutné vzít v úvahu přídavek na obrábění, pokud díl bude fungovat ve spojení s jinými díly.

Finální tvrdou vrstvu získá výrobek po vytvrzení, podobně jako při tepelném zpracování vysoce uhlíkových ocelí. Jsou situace, kdy tvrdý povrch není potřeba na všech površích. V tomto případě se po nauhličení provádí pomalé ochlazování, po kterém následuje mechanické opracování povrchů, kde by neměl být tvrdý povrch. Po odstranění vrstvy s vysokým obsahem uhlíku se provede opětovný ohřev za účelem vytvrzení, po kterém následuje nízké popouštění.

V případě potřeby se provede opětovné vytvrzení zahřátím na 850–900 ℃ (nad bod A3), aby došlo k rekrystalizaci a získání jemnější struktury. Rychlost difúze uhlíku do hloubky kovu závisí na teplotě a stupni nasycení. Čím vyšší je teplota, tím rychleji se atomy uhlíku pohybují hlouběji při stejném potenciálu.

Tvrdá cementace: V tomto případě dochází k adsorpci uhlíku na součásti z práškových složek obsahujících uhlík, zejména uhlí. Nauhličování probíhá v uzavřené, hermeticky uzavřené nádobě krabicového tvaru. Opakovatelnost výsledků této metody je nízká a má i další nevýhody. Tato metoda byla postupem času vytlačena pokročilejšími technologiemi plynové cementace a již se používá jen zřídka.
Kapalná cementace: Tento typ nauhličování se vyrábí adsorpcí uhlíku z roztavených solí obsahujících uhlík. Tato metoda se používá v omezené míře z důvodu nutnosti neustále udržovat roztok horký, nemožnosti použití velkých kelímků se solnými roztoky, obtížnosti udržení daného uhlíkového potenciálu a řady dalších low-tech aspektů při provádění tzv. režim.
plynová cementace, v tomto případě dochází k adsorpci uhlíku z plynných složek obsahujících uhlík. Metoda je široce používána kvůli dostupnosti kapalných nebo plynných uhlovodíkových sloučenin. Relativní jednoduchost navrženého zařízení. Uhlovodíkové látky se snadno dávkují, ředí a analyzují.

Poznámka. Tento článek pojednává pouze o problémech plynové cementace.

Typy nauhličovačů pro nauhličování plynu

Pro plynové nauhličování v průmyslových zařízeních lze použít kapalné a plynové nauhličovače. Karburizační činidlo je výchozí materiál, který obsahuje uhlík. Několik doporučených značek petroleje lze klasifikovat jako tekuté. Mezi plynné plyny patří uhlovodíkové plyny: metan a propan-butan. Jiné uhlovodíkové plyny a kapaliny se jako karburátory volí jen zřídka.

Poznámka: použití kapalných uhlovodíků se týká plynového typu cementace, protože při vysokých teplotách kapalné uhlovodíky sublimují na plynné složky a dochází k adsorpci uhlíku z plynné fáze.

Uhlíkový potenciál.

K provádění technologie cementace se používají přírodní nebo uměle připravené látky. Mezi nauhličovací komponenty, bez ohledu na původní nauhličovač, zahrnuté v nauhličovacích směsích patří: oxid uhelnatý (CO), metan (CH4) a další nasycené uhlovodíky СnH 2n+2. Nejaktivnějším karburizačním plynem je oxid uhelnatý (CO). Oxid uhelnatý disociuje podle reakce 2СО ↔СО 2+С, přičemž se uvolňuje atomární uhlík v aktivním stavu. Při kontaktu se železem je atom uhlíku uložen v povrchových vrstvách a difunduje do hloubky obrobku. Pokud je kompozice ochuzena o uhlík, začne kov opouštět zpět do atmosféry ve směru, kde je koncentrace uhlíku nižší. Proces uvolňování uhlíku se nazývá dekarbonizace a probíhá ve všech vzduchových pecích. Koncentrace uhlíku na rozhraní: plyn-kov je v rovnováze, tomu se říká uhlíkový potenciál. Nejvýhodnějšími podmínkami pro nauhličování jsou podmínky, kdy poměr plynů podle saturační kapacity je 1-1,4 % C. Procentuální podíly pecních plynů při zásobování konkrétního nauhličovače spolu souvisí a při konstantní teplotě se úměrně mění. Proto se v praxi pro stanovení nauhličovacího složení zpravidla řídí jedna ze součástí pece.

Naplánovat. Stanovení uhlíkového potenciálu pomocí kyslíkového senzoru.

Uhlíkový potenciál v závislosti na koncentraci kyslíku Není možné udržet požadovaný uhlíkový potenciál samotným zásobováním karburátoru. Dokonce i řízené plnění nauhličovačem zvýší nauhličovací potenciál nad přípustnou úroveň, protože v původní molekule uhlovodíku není žádný kyslík, který by podstoupil reakci tvorby 2CO ↔CO2+C. Proces zásobování pouze karburátoru se nazývá pyrolýza, která přivádí uhlíkový potenciál na koncentrační úroveň s tvorbou litiny na povrchu součásti s tvorbou cementitové sítě na obrobcích. Pro úpravu složení musí být do karburátoru dodáváno oxidační činidlo. Oxidačním činidlem může být voda nebo kyslík ve vzduchu. Náklady na nauhličovač a okysličovadlo se volí v poměru k objemu pracovního prostoru a ploše tmeleného povrchu. V praxi je dávkování karburátoru nastaveno technologickými doporučeními s přihlédnutím ke konkrétní značce a objem okysličovadla je systémem automatického řízení dodáván na daný uhlíkový potenciál.

Pro získání požadovaného uhlíkového potenciálu jsou v závislosti na fázi požadovaného nauhličovače nabízeny různé instalace a zařízení pro nauhličovací pece. Systém pro analýzu koncentrace jedné nebo dvou složek plynu v saturační atmosféře je stejného typu a nezávisí na značce karburátoru a instalaci. Systém může být vybaven různými komponenty, ale principy měření se nemění.

Instalace řízení a regulace uhlíkového potenciálu pomocí kapalného nauhličovače. Popis instalace “KRPA-Zh”.

Zařízení reguluje uhlíkový potenciál pecní atmosféry v cementačních elektrických pecích normalizovaným přívodem kapalného nauhličovače: (petrolej, triethanolamin atd.) a okysličovadla (voda vzduch), v souladu s požadovanou koncentrací plynu CO2 nebo O2.

Princip fungování instalace. Petrolej a oxidační činidlo (voda) se nalévají do samostatných uzavřených nádob KRPA-Zh. Kapaliny jsou do mufle dodávány speciálními čerpadly přes indikátory průtoku. V mufle se petrolej a voda rozkládají na plynné složky. Zpočátku je dodáván pouze karburátor, poté se koncentrace uhlíku začne zvyšovat. Po 60 minutách se zapne analýza výfukové atmosféry a když koncentrace oxidační složky uhlíku v retortě klesne na stanovenou koncentraci CO2 nebo O2 Automaticky se zapne přívod okysličovadla: voda a vzduch, dokud není překročena stanovená koncentrace plynu CO2 nebo O2. Pokud je překročeno požadované procento oxidačního plynu, vypne se pouze vzduchový ventil a koncentrace CO2 nebo O2 začne pomalu klesat, ale přívod vody se nevypne. Hodnota hystereze je 0,01 % pro plyn CO2 nebo 10 mV podle analyzátoru kyslíku. Po dosažení prahové hodnoty se vzduch opět zapne. Hladkost udržování optimální saturace je upravena množstvím dávkování kapalin a plynů jednorázově při uvádění do provozu. Logický kontrolér obsahuje automatické provozní režimy a veškeré blokování nouzových a nepřijatelných situací.

Doporučuje se používat petrolej RT a TS-1 jako kapalný karburátor podle GOST 102227-86. Pro nitrokarburizaci triethanolamin. Jako oxidační činidlo se používá destilovaná voda a atmosférický vzduch. Spotřeba petroleje u průměrného sporáku je přibližně 80-120 kapek/minutu. Průměrná spotřeba vody je přibližně 60-80 kapek/minutu. Vzduch se používá jako jemná regulace uhlíkového potenciálu a upravuje se během 20-30 l/min. Dávkování složek je určeno indikátory a vizuálně pomocí kapátka.

Instalace řízení a regulace uhlíkového potenciálu pomocí plynového nauhličovače. Popis instalace “KRPA-G”.

Instalace KRPA-G poskytuje regulace uhlíkového potenciálu atmosféry pece standardizovanými dodávkami plynného nauhličovače (zemní plyn nebo propan-butan) a okysličovadla: vzduch, v souladu s doporučenou koncentrací CO2 nebo O2 v atmosféře pece. Provedení s nauhličovačem plynu umožňuje přesněji regulovat průtok přiváděných plynů a složení médií získaných v peci je poněkud blíže optimálnímu (menší tvorba sazí, cizí nečistoty) než při použití kapalný karburátor. Výsledkem je, že jednotky KRPA-G jsou o něco více žádané než jednotky s kapalným karburátorem.

Princip fungování instalace. Do zařízení se přivádí uhlovodíkový plyn. Kyslík vstupuje do mufle z vestavěného kompresoru. Plyny jsou dodávány v dávkách přes ventily, ventily a indikátory. Systém má jedno vedení pro uhlovodíkový plyn a dvě pro oxidační činidlo. Vedení okysličovadla je rozděleno na hlavní vedení a doplňkové (regulační) vedení.

Když procesní teplota dosáhne 760°C, začne se do mufle dodávat petrolej. Karburizační potenciál se začíná zvyšovat. Po 40 minutách se zapne analýza atmosféry a začne se monitorovat atmosféra pece. Oxidační složka uhlíku klesá a dosahuje dané hodnoty CO2 nebo O2 vzduchový ventil je zapnutý jako okysličovadlo. V reaktoru vzduch okamžitě oxiduje vodík a uhlík, čímž se snižuje potenciál, dokud není dosaženo dané hodnoty CO2 nebo O2. Při překročení požadované koncentrace analyzovaného plynu se automaticky vypne přívod přídavného vzduchového potrubí a hodnota CO2 nebo O2 začne pomalu klesat na nižší nastavení. Po dosažení prahové hodnoty se opět zapne přívod přídavného vzduchového vedení. Hladkost udržování požadovaného složení se upravuje množstvím průtoku plynu jednorázově během uvádění do provozu. Logický kontrolér obsahuje automatické provozní režimy a nezbytné blokování nouzových a nepřijatelných situací.

Jako karburátor se doporučuje používat zemní plyn v souladu s GOST 5542-87. Jako oxidační činidlo se používá vzduch. Průměrně bude objem zemního plynu činit 2-3 násobek pracovního objemu mufle, spotřeba vzduchu bude přibližně 3-4 násobek objemu mufle.

Systém pro sledování a regulaci uhlíkového potenciálu endogenerátoru

Systém zajišťuje regulaci uhlíkového potenciálu atmosféry pece prostřednictvím standardizovaných dodávek endoplynu a metanu jako přídavného nauhličovače. Zařízení EN-10 obsahuje endogenerátor a linku pro přidávání karburátoru. Volitelně může systém obsahovat zařízení pro organizaci plamenové clony a proplachování pece dusíkem: verze EN-10I1. Navržený balíček poskytuje nejlepší výsledky nauhličování a ohřevu pro tepelné zpracování v ochranných atmosférách, doporučuje se pro použití v relativně velkých, průchozích nebo klecových kalicích-cementovacích jednotkách. Systém řízení saturační kapacity je vybaven na základě úkolů, designu a objemu pracovního prostoru.

Poznámka: Zařízení a princip činnosti endogenerátoru nejsou v tomto článku diskutovány.

Princip činnosti systému EN-10. Do generátoru se přivádí uhlovodíkový plyn, endoplyn pro verzi I1 a navíc dusík. Endoplyn z endogenerátoru má uhlíkový potenciál 0,4-0,5 % C. Metan je v tomto případě nutné zvýšit. Plynovod má dvě větve, hlavní a regulační. Teprve po dosažení procesní teploty (~760 ℃) jsou do pece dodávány endoplyn a metan. Po 30 minutách se aktivuje analýza atmosféry. Reakce směřují ke snížení CO2 nebo O2. Když analyzovaný plyn dosáhne pod nastavenou hodnotu, regulační potrubí zemního plynu se vypne a koncentrace plynů CO2 nebo O2 začne stoupat. Cyklus zapínání a vypínání regulační větve hlavní udržuje uhlíkový potenciál na optimální úrovni. Plynulost údržby je upravena výší nákladů jednorázově při nastavování. Blokování nouzových a nepřijatelných situací je zabudováno do logiky. Jako karburátor se doporučuje používat zemní plyn v souladu s GOST 5542-87. Jako oxidační činidlo se používá plyn s nižší nauhličovací kapacitou, než je potřeba pro nauhličování. Spotřeba endoplynu je v průměru 4-5krát větší než objem pracovní komory. Množství zemního plynu před zvýšením uhlíkového potenciálu na úroveň ~1% C bude 12-15% objemu endoplynu.

Bez ohledu na typ instalace Tlak plynu je neustále monitorován a je prováděno jemné dávkování. Napájení a ovládání se provádí automaticky pomocí solenoidových ventilů. Po analýze jsou plyny poslány zpět do pece nebo do svíčky. Systém přívodu dusíku nebo plamenová clona je další možností pro zajištění bezpečného provozu celé jednotky.

Možnosti zintenzivnění cementačních procesů.

V současnosti nejběžnějším a prakticky osvědčeným prostředkem intenzifikačního cementování je zvýšení teploty difúzního procesu. S rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost iontů uhlíku v krystalové mřížce železa a hloubka cementace se zvyšuje po stejnou dobu trvání procesu. Je známo, že když je ocel současně nasycena dusíkem a uhlíkem, difúze se urychluje, takže přidáním amoniaku do cementové kompozice je možné urychlit difúzi uhlíku.

K provedení technologie cementace se používají speciální elektrické pece, které zajišťují požadované chemické a tepelné zpracování. Jsou vybaveny zařízením pro ohřev, tvorbu a směšování atmosféry a také přístroji pro analýzu stavu plynného prostředí. Vybavením elektrických pecí takovým zařízením je proces cementace řiditelný a umožňuje získat požadované fyzikální a mechanické vlastnosti vytvrzené vrstvy.