Цементация в твердом карбюризаторе

Этот вид цементации особо широко применяется в единичном, мел­косерийном и ремонтном производствах. В качестве науглероживающей среды берут древесный (березовый) толченый уголь, смешанный с ускори­телями процесса. Эта смесь называется карбюризатором. Ускорителями цементации являются углекислые соли бария или натрия в количестве 20- 25% от веса древесного угля. Размер частичек карбюризатора должен быть в пределах 3,5 - 30 мм. В производстве применяют карбюризатор в виде сме­си 20-25% свежего и 75-80% использованного карбюризатора.

Сущность цементации заключается в том, что при химико­термическом процессе в результате взаимодействия кислорода воздуха с углем и химических процессов распада углекислых солей получается диффу­зионный (атомарный) углерод, который при высоких температурах способен проникать в глубь кристаллических решеток гамма-железа (Fe_γ). На процесс диффузии существенно влияют легирующие элементы Большинство карби­дообразующих элементов (хром, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др.) повышают концентрацию углерода в поверхностном слое. Такие легирую­щие элементы как кремний, никель, медь и другие ускоряют процесс диф­фузии углерода.

Технология цементации сталей в твердом карбюризаторе заключает­ся в следующем. На дно металлического сварного ящика насыпается кар­бюризатор высотой слоя 10-20 мм. Затем укладывают детали на расстоянии 20 мм друг от друга и от стенок ящика. Уложенные детали засыпают кар­бюризатором так, чтобы его слой над ними был не менее 20 мм. Карбюри­затор слегка утрамбовывают, а крышку ящика промазывают огнеупорной глиной. После этого ящик устанавливают в печь, подогретую до 600°С, а за­тем поднимают температуру до 910-950°С и при этой температуре выдержи­вают определенное время, зависящее от толщины цементованного слоя и наличия в стали легирующих элементов. Для углеродистых и низколегиро­ванных сталей время цементации принимают один час на 0,1 мм глубины цементованного слоя.

Процесс образования диффундирующего углерода следующий. При нагреве углерод (древесный уголь) взаимодействует с кислородом воздуха по реакции:

2С + О₂ = 2СО.

В дальнейшем при температуре 910-950°С окись углерода разлагается по реакции:

2СО → СО₂ + [С]_диф.

Диффузионный (атомарный) углерод диффундирует (проникает) в ме­талл. Углекислый газ, выделенный при разложении окиси углерода, взаи­модействует с углем по реакции: СО₂ + С = 2СО, затем процесс повторяет­ся. Одновременно с разложением окиси углерода идет разложение углекис­лых солей по реакциям:

ВаСО₃ → ВаО + СО₂;

NaCO₃ → Na₂О + СО₂.

Углекислый газ взаимодействует с углем, образуя окись углерода

СО₂ + С = 2СО.

Окись углерода разлагается по реакции:

2CO→CО₂ + [С]_диф.

Далее реакция повторяется.

После цементации производят закалку и низкий отпуск.

Газовая цементация

Впервые газовая цементация сталей была осуществлена русским ин­женером П.П. Аносовым в 1837 году. Однако только в 1935 году она была применена в промышленном виде на автозаводе им. Лихачева.

Газовая цементация осуществляется путем нагрева и выдержки деталей при высоких температурах в газовой среде, содержащей углеродистые соединения, способные разлагаться с выделением диффузионного углерода Для газовой цементации применяются шахтные и муфельные электропечи. В качестве карбюризатора газовой среды применяют природный, светиль­ный, коксовый и другие газы.

Основной составляющей этих газов является метан (СН₄), который при температуре 900-950°С разлагается по следующей реакции:

СН₄→2Н₂ + [С]_диф.

Технология газовой цементации несложна. В разогретую до 600°С печь загружают детали и подают газ или газовую смесь. Затем поднимают температуру до 900-950°С и при этой температуре детали нагревают и вы­держивают определенное время.

Газовая цементация по сравнению с цементацией в твердом карбюри­заторе имеет ряд преимуществ: сокращается время цементации почти в два раза, процесс легко регулируется и автоматизируется. Повышается культура производства и улучшаются условия труда. Газовая цементация применяет­ся в основном в крупносерийном и массовом производствах.