15.03.2018

Особенности регулировки углеродного потенциала в две стадии при процессах цементации (нитроцементации) на установке модульного типа CODERE Система 250 (Швейцария)


Управление атмосферой печи является критично важным при проведении всех процессов термического упрочнения.
Газовая цементация (нитроцеметация) является процессом химико-термической обработки стали, при котором деталь выдерживают при температуре 900-950°С (800-850°С) в углеродосодержащей (и азотосодержащей)  атмосфере, при этом создается слой с  повышенным содержанием углерода (и азота). Упрочнение слоя достигается последующей закалкой детали.
Результат цементации (нитроцеметации)  оценивают по требуемой твердости, заданной глубине слоя и равномерности распределения углерода. Изменение содержания углерода от поверхности к сердцевине создает комбинацию свойств деталей машин из определенных марок стали с высокой поверхностной прочностью и вязкой сердцевиной  (Рис 1).


Рис. 1.  Твердость в зависимости от содержания углерода для упрочненной стали.

Одним из главных технологических параметров  цикла цементации (нитроцементации) является точность поддержания углеродного потенциала.
Для установки для термообработки модульного типа CODERE Система 250 (Швейцария) этот параметр составляет ±0.05%.  Функции создания печной атмосферы с правильным содержанием углерода и безопасной эксплуатацией достигаются за счет следующих факторов:

1. Конструкционные особенности печного модуля:

- герметичная реторта с газонаправляющим цилиндром и турбиной обеспечивает равномерную атмосферу по всему объему. Перенос садки в закалочную емкость непосредственно из камеры печи.

2. Автоматическое регулирование углеродного потенциала путем измерения концентрации кислорода и температуры сводится к сравнению с заданным значением и регулированию подачи газов, поступающих в атмосферу печи, через  контроллер и электромагнитные клапаны расходомеров.

В основе контроля лежит принцип равновесного состояния газа, те есть при изменении одного компонента атмосферы, другие изменяются почти в том же соотношении. Таким образом, если известна концентрация кислорода, содержание CO и температура, можно через стехиометрическое соотношение O2 – CO – CO2 достоверно вычислить содержание углерода.

3. Газораспределительная панель со всем необходимым оборудованием входит в комплект поставки оборудования CODERE Система 250/251. Рекомендуемый источник углеродосодержащей атмосферы – метанол с добавками пропана.

4. Продувка азотом, в том числе в автоматическом режиме при падении температуры печи ниже 750°С. Система управления контролирует все технологические параметры циклов

 

 

Процесс насыщения углеродом

Реакция перемещения углерода из газовой атмосферы печи к поверхности стали состоит в следующем: СО +Н2  → С + Н2О.  Движущая сила переноса углерода будет определяться  превышением углеродной активности  газа над углеродной активностью поверхности стали. Однако активность углерода в печной атмосфере имеет два ограничения – избыточный свободный углерод не должен образовывать сажу и приводить к образованию карбидов в стали. То есть углеродная активность газа должна быть уменьшена по мере накопления углерода на поверхности стали и начала процесса диффузии от поверхности внутрь детали.

Рис. 2.  Изменения потока углерода

Таким образом, регулируя состав печной газовой атмосферы в зависимости от стадии цикла возможно добиться оптимального протекания процесса цементации.

 

Преимущества процесса насыщения в две стадии

Контролируя активность  углерода в течение цикла,  мы можем дополнительно решить две важные задачи процесса цементации:

  • При использовании процесса цементации с одной стадией распределение углерода и соответствующее ей распределение твердости будет линейно с большим уклоном от поверхности к сердцевине. При удалении шлифовкой поверхностный слой на определенную глубину, поверхностная твердость может оказаться ниже, чем требуется.  Процесс цементации в две стадии позволяет получить распределение углерода S-образной формы (Рис.3)
  • Напряжения сжатия, возникающие из-за того, что удельный объем закаленного науглероженного слоя больше, чем сердцевины,  являются одной из целей цементации, так как повышают предел выносливости.

 

Таким образом, можно выделить следующие преимущества:

  • Распределение твердости под поверхностью плоское (твердость практически не изменяется  на небольшом расстоянии от поверхности, есть запас твердости для шлифовки) 
  • Высокие напряжения сжатия под поверхностью приводят к увеличению предела прочности на поверхности.
  • Глубина насыщенного слоя больше, чем при цементации с одной стадией процесса при одном и том же  времени цикла.


Рис. 3 Распределение углерода

Расчетные кривые концентрации углерода для двух процессов цементации с одинаковым общим временем цементации (4 часа) и температурой цементации 930°C, но с различным углеродным потенциалом газа.
– “Процесс в одну стадию” = постоянный углеродный потенциал
– “Процесс в две стадии” = высокий углеродный потенциал в первые три часа и низкий углеродный потенциал в последний час.

 

Система управления с программированием цикла цементации из нескольких стадий

Система управления установок модульного типа CODERE Система 250/251 позволяет программировать циклы цементации (нитроцементации), при которых изменение углеродного потенциала зависит от стадии процесса и будет поддерживаться в автоматическом режиме. Наиболее интересным преимуществом является встроенная функция предварительного расчета циклов в зависимости от типа стали и требуемых свойств. Для разработки цикла пользователю предоставляется модель расчета, состоящего из нескольких стадий, каждая со своим технологическим режимом.  Результаты расчета параметров вносятся в специальный блок, в конце расчета строится прогнозируемая кривая распределения углерода.

Многолетний опыт эксплуатации установок модульного типа CODERE Система 250/251 Швейцария) доказывает возможность получения стабильного, воспроизводимого результата цементации (нитроцементации), в том числе и для деталей с повышенными требованиями по качеству химико-термической обработки.
CODERE SA
Швейцария
www.codere.ch