Цементация в расплавах солей

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; BaCl₂; 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.

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

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 300-450^oС 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.

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

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

3.Цементация.

Процесс цементации протекает в интервале температур 850-950^oС, в печи-ванне (№2.на рис.3), преимущественно назначаются температуры 920-940^oС. 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.

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 200^oС (№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(780-850^oС) или до температуры закалки сердцевины(850-900^oС) и делают выдержку при этой температуре, пока не прогреется сердцевина детали, затем охлаждают в ванне с расплавом при температуре примерно 200^oС (№3 на рис.3). Особая разновидность этой закалки, изотермическая закалка (С). При этом процессе после цементации делается промежуточный отжиг в расплаве солей, при температурах 580-680^oС, 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=200^oС,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.