1.3 Поверхностное упрочнение

Газовая цементация. Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюрезаторе, поэтому ее широко применяют на заводах, изготавливающих детали массовыми партиями.

В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость нагрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюрезатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процесса и значительно упрощается последующая термическая обработка изделий так как можно производить закалку непосредственно из цементационной печи.

Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана и пропано-бутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеродов. Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации является диссоциация окиси углерода и метана. Процесс ведут при 910-930 С, 6-12 часов (толщина слоя 1-1.7 мм).

В серийном производстве газовую цементацию обычно проводят в шахтных муфельных печах серии Ц. Шахтные печи серии Ц имеют рабочую температуру 950 С, единовременную загрузку 185-1100 кг, диаметр рабочего пространства 300-600 мм и высоту 600-1200мм. Изделия в печь загружают на специальных подвесках и приспособлениях, которые помещают в реторте. Необходимая для газовой цементации атмосфера создается при подаче в камеру печи жидкостей, богатых углеродом. Углеводородные соединения при высокой температуре разлагаются с образованием активного углерода и водорода.

На предприятиях с серийным масштабом производства также применяют полярные универсальные печи с герметизированной форкамерой и закалочным баком. В таких печах исключается контакт нагретых деталей с воздухом, предотвращается образование дефектов на поверхности изделий, снижающих прочность.

В крупносерийном и массовом производстве газовую цементацию проводят в безмуфельных печах непрерывного действия.

В этих установках весь цикл химико-термической обработки (цементация, закалка и низкий отпуск) механизирован и автоматизирован; производительность установок достигает 500-600 кг/ч и более. В печах непрерывного действия и камерных печах для цементации применяют эндотермическую атмосферу, в которую добавляют природный газ (92-95% эндогаза и 3-5% природного газа). Эндотермическая атмосфера получается частичным сжиганием природного газа или другого углеводорода в специальном эндотермическом генераторе при 1000-1200 С в присутствии катализатора. При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СН4 (до 5,0%) он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО.

В этих условиях на поверхности стали практически не выделяется сажа и сохраняется однозначная зависимость между углеродным потенциалом и содержанием Н2О и СО2 в атмосфере.

Для сокращения длительности процесса в промышленности широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы в начале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2-1,3% С, а затем его углеродный потенциал снижают до 0,8%.

В печах непрерывного действия предусмотрены две зоны по длине печи. В первую зону, примерно соответствующую 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природного и эндотермического газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, находящийся в равновесии с заданной концентрацией углерода на поверхности, обычно 0,8% С. при использовании этого метода цементации следует иметь в виду, что снижение содержания углерода в слое от 1,2-1,3% до 0,8% происходит только за счет углерода, растворенного в аустените. В случае легированной стали снижение в аустените концентрации углерода и легирующих элементов приводит к уменьшению закаливаемости и прокаливаемости цементованного слоя и в итоге к ухудшению механических свойств обрабатываемого изделия. В процессе газовой цементации в сталь может диффундировать находящийся в атмосфере кислород. Это приводит к окислению поверхностного слоя стали, обладающих большим химическим средством к кислороду по сравнению с железом. Окисление легирующих элементов («внутреннее окисление») снижает устойчивость аустенита, и при последующей закалке в цементованном слое трооститная сетка и окислы, что понижает его твердость и предел выносливости стали. Добавки и цементирующей атмосфере (в конце процесса) аммиака уменьшает вредное влияние внутреннего окисления. Скорость газовой цементации при температуре 930-950 С составляет 0,12-0,15 мм/ч при толщине слоя до 1,5-1,7 мм.