Карбюризаторы для цементации

Различают цементацию в твердых, жидких и газовых карбюризаторах. Простейшим твердым карбюризатором является древесный уголь, цементация в котором проходит под. воздействием следующих реакций:

Ств + О₂ =СО₂ ; CO₂ + Ств = 2СО; 2СО = Сат + СОз.

При наличии добавок солей Na₂CO₃, ВаСОз или СаСО₃ процесс активизируется за счет дополнительного образования СО и С0₂: Na₂CO₃ = Na₂O+C0₂; С0₂ + Ств = 2СО. При охлаждении происходит частичная регенерация углекислых солей Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃, и такой карбюризатор достаточно длительное время способен к действию. Основой всех твердых карбюризаторов, применяющихся в промышленности, является древесный уголь твердых пород (береза, дуб и др.), так как уголь мягких пород быстро сгорает. Стандартный (заводского изготовления) карбюризатор состоит также из 12—15% добавок солей ВаСОз и NagCOa (~10:1). Для предохранения от спекания карбюризатора с поверхностью изделий добавляется 1—3% СаСОз.

Добавление 3—5% мазута (или патоки) необходимо для связки компонентов карбюризатора и лучшей адгезии угля с активаторами.

Нежелательным является содержание влаги и серы в таком карбюризаторе, так как эти элементы способствуют разъеданию поверхности деталей. Оптимальным размером гранул карбюризатора считаются фракции 8—12 мм. При отсутствии стандартного заводского карбюризатора возможно его изготовление в местных условиях по тем же рецептам, при отсутствии древесного угля может быть использован торфяной кокс. ^\

Для целей цементации 100%-ный свежий карбюризатор не применяется вследствие его большой активности, приводящей к пересыщению поверхности углеродом и интенсивному сажевыделению на стальных изделиях. Обычно применяются смеси, состоящие из 80% отработанного и 20% свежего карбюризатора. Упаковка деталей производится в специальные коробки из малоуглеродистых (стойкость 150—200 ч) или жаростойких (стойкость 4000—6000 ч) сталей. При засыпке вокруг детали должен находиться слой карбюризатора от 20 до 30 мм, верхний слой должен составлять 35—40 мм. Коробки закрываются крышками и замазываются глиной, а затем просушиваются — это обеспечивает герметичность и предотвращает подсосы воздуха.

Несмотря на довольно широкое распространение, цементация в твердом карбюризаторе до сих пор обладает существенными недостатками: непроизводительными затратами тепла на прогрев коробок с карбюризатором, отсутствием возможности регулирования концентрации углерода в поверхностном слое вследствие неудовлетворительной стабильности и воспроизводимости результатов; большой трудоемкостью процесса; неоправданно большим расходованием производственных площадей; практической невозможностью механизации и автоматизации процесса; низкой культурой производства.

Цементация в жидких соляных ваннах нашла довольно ограниченное применение, однако оптимальные результаты можно получить при использовании ванны такого состава:

78—85% Na₂CO₃, 10—15,% NaCI и 6—8% SiC (карборунд), где протекают следующие реакции:

ЗNа₂СОз + SiC = Na₂SiO₃ + 2Na₂O + 4СО;

2СО = СОз + Сат.

В такой ванне при 900° в течение 30 мин получается слой глубиной 0,15—0,2 мм. Процесс с большей продолжительностью вести в подобных средах нерационально. Однако эти среды обладают тем преимуществом, что применяемые соли не ядовиты (в отличие от цианистых ванн для цианирования).

Жидкими карбюризаторами являются также углеводородные жидкости: керосин, бензол, этиловый и метиловый спирт (метанол), синтин. В зарубежной практике используются также этилацетат, ацетон, изопропанол и др.

При подаче этих жидкостей в муфельную печь (обычно используются шахтные печи) капельным методом или распылением через форсунки происходит их разложение с образованием газовой фазы, в основном состоящей из СО, На и небольших количеств С0₂, H₂O и СН₄. Так, диссоциация метанола идет по реакции СНзОН=СО + 2Н₂, образующийся СО далее уже является источником получения атомарного углерода, т. е., вообще говоря, рассмотренные жидкости в принципе являются газовыми карбюризаторами, так как они являются жидкими только до ввода в печь. Из этих карбюризаторов наиболее рекомендуется для отечественного машиностроения синтип, не содержащий вредных сернистых соединений и наименее склонный к сажевыделению.

Однако в серийном производстве наиболее широкое использование находит цементация с применением природного или городского генераторного и нефтяного газов, содержащих 30—90,% СН₄, а также эндотермического газа, приготавливаемого в генераторах из природного газа или пропано-бутановых смесей. Большое количество метана в городском или природном газе (70—90%) делает газовый карбюризатор чрезвычайно активным. Основная реакция при науглероживании метаном CH₄ = Сат + 2Н₂, однако в равновесии с углеродом γ—Fe при температуре цементации находятся только весьма малые (1—2%) количества этого компонента, поэтому наряду с насыщением стали углеродом до максимальных значений концентрации его в пределах y-твердого раствора при применяемых температурах идет довольно интенсивное сажевыделение по реакции CH₄→Сгр+2Н₂. Разбавление метана другими газами положительно сказывается на протекании процесса. Так, например, начинает внедряться процесс так называемой вакуумной цементации. Природный газ или метан подается в печь с небольшим разрежением 30—40 гПа, создаваемым вакуумной системой. При этом процесс протекает с максимальной скоростью при отсутствии сажевыделения, как правило, тормозящего интенсивное протекание процесса взаимодействия газовой среды с поверхностью стали.

Эндотермическая атмосфера состава: 20% СО, 40,% На, СН₄ + СО₂ = 1%, N₂ — остальное, tp = —7... 0° С с дополнительными добавками метана (2—10%) или пропана (1—5%) в этом смысле является оптимальной для газовой цементации. Возможность с помощью автоматической системы регулировать состав атмосферы, а следовательно, и углеродный потенциал, дает этому типу газового карбюризатора большие преимущества по созданию стабильного и воспроизводимого технологического процесса цементации с регулируемым содержанием углерода в поверхностном слое. Основные реакции для этой газовой системы Н₂—СО—CO₂—H₂O—СН₄ при взаимодействии ее с углеродом γ- твердого раствора были рассмотрены ранее (см. гл. 1). Разработанные для подобных систем диаграммы равновесия позволяют, варьируя соотношение компонентов исходной смеси путем изменения соотношения воздух—газ в генераторе, а также дополнительным регулированием содержания вводимых добавок метана получать заданную активность атмосферы, а следовательно, и заданное равновесное содержание углерода на поверхности.

Прогрессивным процессом цементации в эндотермической атмосфере является комбинированный режим насыщения — вначале (70—80% времени) устанавливается максимально возможный углеродный потенциал атмосферы с помощью добавок, а далее в остальные 20—30,% от времени всего процесса дается рассасывание углерода в поверхности до заданной концентрации. При данном технологическом режиме происходит максимальный выигрыш во времени для этого регулируемого процесса. Газовую цементацию обычно проводят в шахтных печах типа СШЦ, в камерных специализированных агрегатах типа СНЦА, а также в безмуфельных 21, 24 и 40-поддонных агрегатах конструкции ЗИЛа. Расход газа на печь обычно соответствует 5—10-кратному объему атмосферы в час, при избыточном давлении 70—90 гПа.

Для создания одинакового состава атмосферы во всем объеме печи цементационные печи и агрегаты оборудуются специальными вентиляторами.

Выше рассмотрены основные типы карбюризаторов для цементации, однако известен и ряд других способов цементации. К таким способам относится цементация в электролитах ионная цементация в тлеющем разряде и др., однако эти способы промышленного внедрения пока не получили и поэтому рассмотрены здесь не будут.

Дата добавления: 2015-07-08