01.03.2020

Оборудование для цементации стали

Технология и оборудование для цементации зубчатых колес из стали 18ХГТ

Конструкция цементационных ящиков оказывает большое влияние на продолжительность процесса цементации и качество цементуемых деталей. К цементационному ящику предъявляются следующие требования: 1) форма ящика должна приближаться к форме цементуемых деталей; 2) должен быть обеспечен наиболее быстрый прогрев деталей; 3) рабочее пространство печи должно использоваться эффективно. Для цементации применяют прямоугольные ящики (наибольшие размеры ящика 250x500x300 мм). Ящики изготовляют из стали, чугуна и жаростойких сплавов; стойкость сварных ящиков до 150–200 ч, литых (стальных и чугунных) — 250–500 ч, из жаростойких сплавов — 4000–6000 ч.

Упаковка деталей в цементационный ящик производится следующим образом. На дно ящика насыпают слой карбюризатора 2 толщиной 30–40 мм; на него укладывают первый ряд деталей. Расстояние между деталями и между деталями и стеной ящика 20–25 мм. На первый ряд деталей насыпают слой карбюризатора толщиной 20– 25 мм, укладывают следующий ряд деталей 4, снова засыпают карбюризатором, и так до полного заполнения ящика. Верхний ряд деталей засыпают слоем карбюризатора толщиной 20–35 мм, При упаковке деталей карбюризатор плотно утрамбовывают, Сверху укладывают лист асбеста, ящик закрывают крышкой 5 и обмазывают глиной. Через отверстия, имеющиеся в крышке, в ящик вставляют два указателя 6, служащие для контроля цементации.

Ящики с упакованными в них деталями сушат на воздухе и затем устанавливают в печь, нагретую до температуры цементации (900–950° С); при этом температура печи снижается. При температуре 780–800° С следует проводить сквозной прогрев ящиков, что обеспечивает более равномерную цементацию. Затем температуру быстро повышают до 900–950° С и выдерживают в зависимости от требуемой толщины слоя: при толщине слоя до 1 мм скорость цементации составляет 0,15 мм/ч; при толщине слоя более 1 мм-0,1 мм/ч.

Зубчатые колёса из стали 18ХГТ подвергают газовой цементации ( при температуре 920 – 950°C ) с непосредственной закалкой из цементационной печи после предварительного подстуживания до 840 – 860°C. После закалки – отпуск при температуре 180 – 200°C.

Газовая цементация осуществляется в стационарных (непрерывно-действующих) печах. Цементирующий газ приготавливают отдельно и подают в цементационную реторту. При газовой цементации происходит три процесса:

1) Диссоциация – состоит в распаде активных атомов диффундирующего элемента.
2) Абсорбция – происходит на границе газ – металл и состоит в поглощении (растворении) поверхностью свободных атомов.
3) Диффузия – состоит в проникновении насыщающего элемента вглубь.

Цементирующими газами являются окись углерода и газообразные углеводороды. Разложение этих соединений приводит к образованию активного атомарного углерода:

CnH2n + 2 > (2n + 2) H + nC

Как видно из приведенных выше реакций, в результате распада углеводородных соединений образуется свободный углерод. Если поверхность стали не поглощает весь выделяющийся углерод (абсорбция отстает от диссоциации), то свободный углерод, кристаллизуясь из газовой фазы, откладывается в виде плотной пленки сажи на детали, затрудняя процесс цементации. Поэтому для рационального ведения процесса газовой цементации нужно иметь газ определенного состава и регламентировать его расход.

Таким образом, при температуре цементации мы получаем аустенит переменной концентрации от 1,2 – 1,3 %С (при температуре процесса 860 ?С) до 0,1 – 0,15 %С. При охлаждении от цементации до нормальной произойдет превращение в соответствии с содержанием углерода в данном слое.

Поверхностная зона, в которой углерода 0,8 – 0,9% имеет структуру перлит + цементит, затем следует зона с содержанием углерода около 0,8%, после следует зона с содержанием углерода менее 0,7% плавно переходящая в структуру сердцевины.

Содержание углерода в наружном слое не должно превышать 1,1-1,2% т. к. большое содержание углерода приводит к образованию вторичного цементита, который повышает хрупкость.

Задача цементации – обеспечить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине – не решается одной цементацией. Окончательно формируют свойства последующей закалкой. В нашем случае закалку можно проводит сразу после цементации. С целью уменьшения деформации и коробления колёс их закалку проводят в горячем масле (180?С).

Оборудование для цементации

Для цементации, закалки и низкого отпуска небольших партий шестерен, валов, колец и т.п. в среде защитного газа применяют камерные универсальные печи, объединенные в единую конструкцию.

Камерная универсальная электропечь СНЦ_5.10. 3,2/10 изображена на рис. 6

Технические характеристики печи:

Мощность печи – 80 кВт;

Масса единовременной загрузки – 400 кг;

Масса садки нетто – 300 кг;

Расход газа – 12-15 м /ч;

Размеры садки 500х1000х320 мм;

Масса агрегата 13 т;

Рисунок 5 – Механизированная электропечь:

1 – нагревательная камера; 2 – закалочная камера; 3 – подъемный столик; 4 – вентилятор; 5 – нагреватели; 6 – цепной механизм для передвижения поддона с деталями

Читать еще: Гидроабразивная резка листовой стали

Загрузка печи и ведение процесса цементации

Электропечь состоит из камеры нагрева, тамбура с закалочным масляным баков в едином каркасе, щитов управления и механизма загрузки и разгрузки. В тамбуре печи и в камере нагрева установлены вентиляторы для обеспечения циркуляции атмосферы печи.

Нагревательную и закалочную камеру можно заполнять защитной атмосферой, предохраняющей закаливаемые детали от окисления и обезуглероживания. С помощью цепного механизма 6 корзину с деталями по направляющим роликам перемещают в нагревательную камеру 1. После нагревания и выдержки тем же цепным механизмом корзину перемещают в закалочную камеру 2 и вместе со столиком 3 погружают в закалочную жидкость (масло). После охлаждения столик поднимается пневмомеханизмом, и корзину выгружается из печи. Детали нагреваются в результате излучения электронагревателей 5 и конвективного теплообмена. Вентиляторы 4, установленные в нагревательной камере и в закалочном баке, предназначены для интенсификации теплообмена и равномерного нагрева и охлаждения деталей.

В данной механизированой электропечи проводят весь цикл термической обработки деталей, например, закалку и отпуск, а также цементацию.

Очистка от окалины

Для очистки стальных поковок, у которых не допускается упрочнение поверхности, применяют мокрую пескоструйную очистку (рис. 5). Поковки очищают внутри камеры на поворотном столе загрузочной тележки пистолетом, из которого под действием сжатого воздуха выбрасывается смесь песка и воды (пульпа). Для удаления водяной пыли вверху камеры предусмотрены отверстия для вытяжной трубы вентиляционной системы. Загрузочная тележка состоит из платформы, станины, двух пар колес и поворотного стола с катками. Передвижение тележки и вращение стола производится вручную. Катки и колеса установлены на шариковых подшипниках и надежно защищены от попадания воды и песка.

Рисунок 6 – Гидропескоструйная установка

1 – камера; 2 – дверца с резиновой занавеской; 3 – ручка управления клапаном; 4 – фонарь; 5 – пульт управления; в-поворотный стол; 7 – пистолет; 8 – смеситель; 9 – настил из металлических листов; 10 – лестница; 11 – отстойник; 12 – насос для пульпы; 13 – трубопровод; 14 – привод смесителя; 15 – вытяжная труба.

Термическая обработка после цементации. Для получения заданного комплекса механических свойств после цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей.

В зависимости от условий работы, а также от выбранной для изготовления детали стали режим упрочняющей термической обработки может быть различен. Для тяжелонагруженных трущихся деталей машин, испытывающих в условиях работы динамическое нагружение, в результате термической обработки нужно получить не только высокую поверхностную твердость, но и высокую прочность (например, для зубчатых колес-высокую прочность на изгиб) и высокую ударную вязкость. Для обеспечения указанных свойств требуется получить мелкое зерно как на поверхности детали, так и в сердцевине. В таких ответственных случаях цементованные детали подвергают сложной термической обработке, состоящей из двух последовательно проводимых закалок и низкого отпуска.

При первой закалке деталь нагревают до температуры на 30-50 °С выше температуры Ас з цементируемой стали. При таком нагреве во всем объеме детали установится аустенитное состояние (рис. 7). Нагрев до температур, лишь немного превышающих Ас3, вызывает перекристаллизацию сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, что обеспечит мелкозернистость продуктов распада. При температуре t3, как видно на рис. 7, весь диффузионный слой переходит в аустенитное состояние, поэтому, чтобы предотвратить выделение цементита, проводят закалку.

При второй закалке деталь нагревают до температуры t_3]I с превышением на 30-50 °С температуры Ac_t (рис. 7). В процессе нагрева мартенсит, полученный в результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных карбидов, которые в определенном количестве сохраняются после неполной закалки в поверхностной заэвтектоидной части слоя, увеличивая его твердость. Вторая закалка обеспечивает также мелкое зерно в науглероженном слое.

Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160-200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали (рис. 7).

Рисунок 7_Режим термической обработки ответственных деталей машин после цементации (схема): / – цементация; II – двойная закалка; /// – низкий отпуск

После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированности стали. Так как цементировалась легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Во всех случаях из-за низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.

Промышленное оборудование

Вакуумные печи для цементации и нитроцементации

Безусловным и неоспоримым преимуществом проведения процессов цементации, нитроцементации и азотирования в вакууме (под парциальным давлением технологического газа) является:

Существенное уменьшение времени процесса по сравнению с традиционными (атмосферными) методами, что особенно актуально при большой глубине цементированного слоя ( до 4,5 мм менее чем за 30 часов ). Это возможно благодаря проведению цементации при более высоких температурах ( до 1100 °С ). Такой эффект дает колоссальную экономию энергоресурсов и производственного времени.
Повторяемость результатов
Не образуется копоти и сажи – проблемы, которые возникают при работе с пропаном
Точный контроль глубины цементированного слоя
Однородный цементированный слой с высокой концентрацией углерода на всех поверхностях деталей сложной геометрической формы, имеющие сквозные и глухие отверстия.
Высокая надежность и долговечность работы всех компонентов оборудования ввиду отсутствия формирования слоя сажи и нагара.

Читать еще: Какая сталь используется для изготовления ножей

Для проведения химикотермических процессов ( цементация, азотирование, нитроцементация и газовая закалка 12 бар и более) IPSEN имеет линейку вакуумных печей Ipsen TurboTreater®.

Концепция Ipsen TurboTreater®

ЦИЛЛИНДРИЧЕСКАЯ ЗОНА НАГРЕВА – САДКИ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ
ПРИМЕНЕНИЕ ЗОН НАГРЕВА ИЗ ГРАФИТА ИЛИ МЕТАЛЛА; ОТСУТСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ В ЗОНЕ НАГРЕВА
ОРБИТАЛЬНОЕ (360°) ОХЛАЖДЕНИЕ – ОДНОРОДНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
ВСТРОЕННАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ – ВЫСОКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ С ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ – БЫСТРАЯ ЗАКАЛКА
КОМПАКТНЫЙ РАЗМЕР – НЕБОЛЬШАЯ ПЛОЩАДЬ ДЛЯ УСТАНОВКИ
УМЕНЬШЕННЫЙ ВНУТРЕННИЙ ОБЪЕМ – НИЖЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ГАЗА

Типовые размеры вакуумных печей Ipsen TurboTreater®:

Модель	Стандартный размер рабочей камеры ШхВхГ, мм	Альтернативный размер рабочей камеры ШхВхГ, мм	Вес садки , Кг
Горизонтальные
Н2424	457х355х610	178х457х610 533х203х610	181
Н3636	610х610х914	305х711х914 762х406х914	680
Н5448 ST5448	914х914х1219	254х1092х1219 1219х432х1219	1 361
Н6648	1219х1219х1424	584х1422х1524 1574х711х1524	2 268
Н6672 ST6672	1219х1219х1829	584х1422х1829 1574х711х1829	2 722
Н77100 ST77100	1524х1219х2539	686х1524х2540 1854х610х2540	4 545
Вертикальные с подъёмным подом	Диам х Высота, мм	Вес садки, кг.
GV 3636	914х914	907
GV 4854	1219х1372	1 361
GV 6060	1524х1524	1 815
GV 60120	1524х3048	2 268
GV 7272	1829х1829	2 268
GV 7296	1829х2438	2 727
GV 12096	3048х2438	9 090

В вакуумных печах Ipsen применяется запатентованный процесс для вакуумной цементации с Ацетиленом – AvaC. Хорошо опробованный процесс AvaC® – цементация под низким давлением с использованием ацетилена – это альтернативная технология классическим технологиям цементации.

Преимущества этого процесса по сравнению с газовой цементацией очевидны:

Процесс AvaC® обеспечивает высокую скорость переноса углерода с полным исключением окисления поверхности;
Процесс легко управляется и даёт исключительно высокие стабильные результаты получения однородного цементированного слоя даже на сложных геометрических поверхностях и глухих отверстиях;
Будучи практически экологически чистым просессом, его расходы газа и электроэнергии относительно небольшие, а возможность проведения в той же печи последующей закалки газом высокого давления минимизирует поводки деталей, исключая необходимость в их мойке после закалки;
Процесс контролируется и управляется простой в использовании, надёжной и точной системой управления Vacu-Prof®.

Оснащение вакуумной печи для цементации состоит из :

1 IPSEN программное обеспечение AvaC® эксперт;
1 кориолисовый расходомер C₂H₂, а также необх. арматуры;
1 внутренняя система распределения технологического газа;
1 регулирование давления во время процесса цементации;
1 механическая насосная система с регулируемой производительностью насоса;
1 специальный фильтр в насосной системе;
1 дополнительный прибор измерения давления для прямого измерения давления технологического газа;
N₂-предохранительная продувка насосной системы во избежании образования взрывчатой смеси газа/воздуха;

Печь может быть оборудована для проведения процесса нитроцементации под низким давлением „AvaC®-N“ с применением ацетилена и аммиака.

IPSEN программное обеспечение AvaC®-N;
регулятор расхода C₂H₂, а также необх. арматуры;
регулятор расхода NH₃, а также необх. арматуры;
внутренняя, распределительная система технолог. газа компоненты насосной системы стойкие к воздействию NH₃;

Для азотирования нержавеющих сталей применяется процесс SolNit-M®

Преимущества процесса поверхностного азотирования перед процессом цементации для нержавеющих сталей:

отсутствие богатых хромом осаждений, т.е. коррозиеустойчивость (заметный рост);
высокая теплостойкость;
без окисления поверхности;
регулирование содержания азота на поверхности простое регулирование процесса (температура и парциальное давление);
недорогой, надёжный технологический газ (N₂);
малый расход газа за счёт прерывающего потока;

одинаковая активность азота по всей поверхности ;

гнёзды
шлицы
опорные поверхности, и т.д.
маскирование: трудно

Ход процесса:

Нагрев до рабочей температуры (1050°C-1150°C)путём продувки газом аргон (или под вакуумом)
Впуск N₂-газа
Настройка необходимого pN₂
Выдержка для необходимой диффузии
Закалка
Возможно глубокое охлаждение, измельчение зерна и отпуск

Примеры применения процессов :

Материал: X₁₄CrMoS₁₇ (1.4104)
Обработка: SolNit-M: 1150°C
Глубокое охлаждение:- 80°C
Отпуск: 150°C
Твёрдость поверхностного слоя: 655 HV10
Глубина азотирования: ≈ 0.7 мм

Материал: 1.4024 X₁₅Cr₁₃
Обработка: SolNit-M, низко-температурная -40°C,
отпуск 150°C
Твёрдость поверхностного слоя: 660 HV2 (58.3 HRC)
Твёрдость сердцевины: 46 HRC
Глубина азотирования: ≈ 0.6 мм