Цементация в расплавах солей

jcem

Фирма ООО «Термохим», помимо газовой цементации, предоставляет услугу химико-термической обработки — цементации в жидких средах. Используемый расплав солей представляет собой смесь, которая, как правило, состоит из поставщиков углерода, цианидов щёлочей, активаторов в виде хлорида бария, а также хлоридов и карбонатов щелочи(Na2CO3/ K2CO3; KCl/NaCl; BaCl 2; NaCN/KCN; NaOCN/KOCN). Реакции, протекающие в расплаве, упрощёно, представлены ниже: поставщик углерода цианид (например NaCN) , благодаря окислению с помощью кислорода, распадается на карбонат, оксид углерода и азот (1):

2 NaCN + 2 O2 ↔ 2 Na2CO3 + N2 + CO (1)

Активатор (например, BaCl2) действует как катализатор и ускоряет окисление цианида. Образование углерода происходит аналогично, как при процессах цементации в других средах:

2 CO ↔ CO2 + C (2)

Из реакции (1) видно, что при высоких температурах насыщения (930-950°С) в основном диффундирует углерод (рис.1), в меньшей степени азот, а при более низких температурах (830-870°С) уже азот.

Переход углерода на границе поверхностей расплава солей и детали

Рис.1.Переход углерода на границе поверхностей расплава солей и детали

Схема процесса Durofer

Схема процесса Durofer.

Образовавшийся в результате окисления карбонат Na2CO3 ,далее, при добавлении в ванну регенератора, превращается в нового поставщика углерода (рис.2).

Результат процесса цементации в расплавах солей, в основном, зависит от следующих факторов:

Химический состав расплава:

10-13% KCN

Температура обработки:

850-950 °С

Время обработки:

2-8 часов

Процесс науглероживания детали проходит в экологически чистой линии оборудования, представленной ниже. Все печи технологической линии снабжены бортовыми отсосами, в результате все выходящие газы проходят влажную очистку в скруббере.

Процесс науглероживания (Durofer) состоит из следующих, ниже описанных, шагов:

1.Предварительная чистка.

Эта часть процесса проводится для удаления остатков после механической обработки с поверхности детали, которые могут препятствовать диффузии и загрязнять расплав.

2.Подогрев.

Подогрев обычно проводится при температурах 300-450oС на воздухе, в печи подогрева( №1.на рис. 3), далее следует избегать чрезмерного снижения температуры перед опусканием в расплав соли, для стабильности результатов. Также подогрев проводится с целью соблюдения безопасности при погружении детали в расплав. Попадание влаги и капель воды в расплав соли очень опасно для персонала.

Экологически чистая линия оборудования для процессов в расплавах солей.

Рис.3.Экологически чистая линия оборудования для процессов в расплавах солей

Глубина цементованного слоя в зависимости от температуры и времени обработки

Рис.4 Глубина цементованного слоя в зависимости от температуры и времени обработки.

3.Цементация.

Процесс цементации протекает в интервале температур 850-950oС, в печи-ванне (№2.на рис.3), преимущественно назначаются температуры 920-940oС. Обычно время обработки составляет 2-8 часов. Кинетика процесса цементации подчиняется параболическому закону, а зависимость толщины слоя от температуры эскпоненциальному.

4.Закалка.

Окончательные свойства цементированной детали придаёт последующая термообработка. Существует несколько окончательных вариантов (рис.5):

Рис.6.Граффик времени, температуры при охлаждениив расплаве солей.

Рис.6.Граффик времени, температуры при охлаждениив расплаве солей.

Варианты проведения закалки после процесса цементации

Варианты проведения закалки после процесса цементации

При первом варианте, непосредственной закалке (А), после цементации, деталь охлаждают от температуры цементации, или после предварительного подстуживания, в ванне с расплавом при температуре примерно 200oС (№3 на рис.3), а далее после небольшой выдержки, охлаждают на воздухе, где и происходит превращение из аустенита в мартенсит. Данный метод применяют в основном для неответственных деталей, простой формы.
При втором варианте (В), деталь, после цементации, остывает в охлаждающем колодце. Далее деталь нагревают до температуры закалки поверхности(780-850oС) или до температуры закалки сердцевины(850-900oС) и делают выдержку при этой температуре, пока не прогреется сердцевина детали, затем охлаждают в ванне с расплавом при температуре примерно 200oС (№3 на рис.3). Особая разновидность этой закалки, изотермическая закалка (С). При этом процессе после цементации делается промежуточный отжиг в расплаве солей, при температурах 580-680oС, при этом углерод в избытке, и выделятся в форме мелких карбидов железа.

Для особо ответственных деталей или деталей из сталей сложного химического состава принято применять двойную закалку(D), причём первая закалка проводится при температуре закалки сердцевины, а вторая при температуре закалки поверхности.

При этом процессе деталь, прошедшая цементацию, охлаждается в расплаве солей, температура которого немного выше температуры начала мартенситного превращения, и выдерживается. Причём скорость охлаждения выбирается в зависимости от того, какую структуру нам надо получить феррит, перлит или бейнит. На этой стадии процесса происходит выравнивание температур сердцевины и поверхности, и затем деталь медленно охлаждается на воздухе, где происходит мартенситное превращение. Благодаря прохождению данного процесса в ванне, массовые и форменные изменения не значительны. К тому же этот процесс способствует выведению с детали остатков цианида.

Благодаря такому режиму охлаждения(в ванне при Т=200oС,а потом в специальном колодце), мартенситное превращение происходит в самых благоприятных условиях, вносятся минимальные термические напряжения, поэтому изменение геометрии незначительно, в пределах допуска чертежа. Схема данного охлаждения в печи-ванне представлена на рис.6.

5.Отпуск.

После закалки проводится отпуск. Этот процесс делается для стабилизации структуры и снижения опасности появления трещин (снятия остаточных напряжений) и целесообразно проводить в той же ванне, в которой производили закалку. Проводить отпуск в другой печи, например камерной, также возможно. Разумеется, в этом случае, необходимо отчистить деталь от остатков соли. Температура отпуска и время выдержки назначаются исходя из требуемых свойств.

6.Очистка/консервация.

После обработки на детали остаются остатки соли, которые должны быть удалены, так как они могут в дальнейшем способствовать развитию на поверхности коррозии. Детали промываются в горячей воде и погружаются в антикоррозионное средство.

Преимущества цементации в расплавах солей:

  • Высокая скорость насыщения углеродом.
  • Термические напряжения значительно ниже, чем при газовой цементации.
  • Расплавы солей гарантируют равномерность температур.
  • Поводки после обработки в пределах допуска чертежа.
  • Цементация в расплавах солей очень гибкий процесс. Можно обрабатывать детали из разных материалов, с разными режимами в одних и тех же ваннах.
  • Расплавы можно использовать для процессов закалки, отжига, а также карбонитрации.
  • Более низкие затраты по сравнению с цементацией в плазме и вакууме.
  • Устранение цианидов с деталей (прилипшая соль) происходит при закалке в нитрит/нитрат содержащих ваннах.
  • Строго соблюдаются требования по количеству содержанию в воздухе вредных веществ.

Процесс находит широкое применение для различных деталей.
Часто используется для упрочнения шестерен с различными модулями. При обработке шестерни из материала 16MnCr5 (русский аналог 18ХГТ) получаются очень высокие свойства. Детали цементируются в соли немецкого производителя Durferrit (Cecontrol80).После обработки толщина слоя варьируется в интервале 0,6-2 мм.

Comments are closed.

Comments are closed