Предложена технология и оборудование, обеспечивающее ее реализацию, позволяющие надежно контролировать состояние печной атмосферы в процессе цементации и и нитроцементации и получать стабильные результаты упрочнения деталей.
Термообработка с целью поверхностного упрочнения деталий машин и инструмента является важнейшей частью процесса их изготовления. В результате такой термообработки сталь приобретает необходимую твердость, прочность и пластичность. Заданную поверхностную твердость можно получить только при сложных химико-термических процессах цементации или азотировании. Без этих процессов невозможно обеспечить требуемое качество, надежность и долговечность машин и оборудования.
На сегодняшний день самым распространенным процессом при массовом производстве деталей является газовая цементация. Цементации подвергаются детали из низкоуглеродистых сталей, работающих в условиях контактного износа и знакопеременных нагрузок. В процессе цементации при высокой температуре происходит насыщение поверхностного слоя стальных деталий углеродом путем диффузии из внешней среды, что позволяет получить высокую твердость на поверхности изделия при вязкой сердцевине, а значит высокую износостойкость. Полученный диффузионный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине, соответственно твердость цементированного слоя после термической обработки постепенно снижается по глубине слоя. Сопротивление контактной усталости у цементированных сталей получается выше, чем у сталей, прошедших поверхностную закалку при индукционном нагреве, и у азотированных сталей. На сегодняшний день газовая цементация является основным процессом упрочнения поверхности стали при массовом производстве деталей.
Процесс газовой цементации проводится при температурах 900-950 °С, и как правило, в шахтных электропечах с герметичным муфелем и центробежным вентилятором для принудительного перемешивания печной атмосферы в рабочем пространстве. В качестве карбюризатора внутрь разогретого муфеля подается либо жидкий карбюризатор (керосин, синтин, бензол), либо газообразный (метан, эндогаз). Жидкий карбюризатор уже внутри муфеля испарятся и разлагается на газообразные продукты.
В дальнейшем газы диссоциируют с образованием атомного углерода, диффундирующего внутрь металла.
Процесс цементации может проводится с использованием жидкого карбюризатора или цементационного газа. Для получения науглероживающей газовой атмосферы в качестве карбюризатора применяют метан, керосин, синтин, бензол, которые в результате диссоциации разлагаются с образованием атомарного углерода.
Оснащение цементационной печи установкой контроля и регулирования печных атмосфер (КРПА), значительно повышает технологические возможности такой печи.
Такая установка обеспечивает регулирование углеродного потенциала в атмосфере печи путем нормированных подач карбюризатора и окислителя в соответствии с заданным содержанием СО2. При цементации и нитроцементации установка создает необходимые печные атмосферы непосредственного в герметичном муфеле электропечи, управляя этими процессами.
Регулирование углеродного потенциала печной атмосферы обеспечивает получение заданных величин цементированного слоя и создание диффузионного слоя с заданной микроструктурой.
Управление цементационной атмосферой в печи позволяет исключить брак по микроструктуре слоя и получить стабильные свойства поверхности цементированных деталей.
При этом занимательно ускоряется процесс цементации, увеличивается срок службы жаропрочных элементов печи и останки, а также значительно снижается сажеобразование в рабочем пространстве печи.
Для упрочнения поверхности деталей иногда применяют нитроцементацию — процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом. Нитроцементация позволяет получить слои большой толщины и дает дополнительные преимущества покрытию по сравнению с обычной цементацией. При нитроцементации сокращается продолжительность процесса, уменьшаются деформации деталей и повышается усталостная прочность.
