Cementace
Oblast cementačních teplot
Tvrdosti a pevnost ocelí
Martenzit
Cementační oceli
Množství zbytkového austenitu Nad eutektoidem silně roste
Pro nadeutektoidní obsah uhlíku klesá tvrdost nebezpečí přecementování
Rychlost cementace
Výsledky cementace Obvyklá tvrdost je 58 až 62 HRc – nejčastější způsob měření tvrdosti Hloubka bývá obvykle několik desetin milimetru, výjimečně až 2 mm Určení hloubky cementace : - tvrdost po kalení je zde 50 HRc (530 HV) - obsah uhlíku je zde nad 0,4 % Po cementaci musí být kalení a popouštění Dobu cementace určit z teploty cementace, požadované hloubky a typu oceli (obecně legury zpomalují difuzi)
Kalicí teploty po cementaci
Pro jádro
Pro cementovanou vrstvu Neexistuje společná optimální kalicí teplota
Přímé kalení - nejjednodušší Cementační teplota Jádro i vrstva kaleny z příliš vysoké teploty
Nejlevnější Nejhorší struktura Jen pro podřadné ůčely
Jednoduché kalení – na vrstvu Vrstva má optimální vlastnosti Jádro je hrubší a křehčí
Kompromis mezi cenou a kvalitou
Dvojité kalení Optimální struktura a mechanické vlastnosti vrsty i jádra
Nejdražší metoda Nejlepší mechanické vlastnosti Větší deformace po kalení
Koncentrace uhlíku po cementaci Bezprostředně po cementaci U povrchu přílišná strmost
Proto často přidávána difuzní perioda : teplota stejná atmosféra bez uhlíku
Koncentrace uhlíku po difuzní periodě Tvrdost u povrchu je podstatně méně strmá – v určitém rozsahu je přibližně konstantní
Současně vzrostla i hloubka cementace vyrovnáním složení
Cementace v zásypu Zásyp ze směsi dřevěného uhlí a BaCO3 v poměru 5 : 1
Musí probíhat v těsně uzavřené nádobě, aby se při zahřátí na cementační teplotu vytvořil CO – ten pak rozkladem na povrchu vsázky cementuje : 2 CO = CO2 + C.
Již zastaralá metoda, ale velmi levná
Cementace v solné lázni Lázeň jsou roztavené chloridy a kyanidy alkalických kovů Přenašečem uhlíku do povrchu oceli je skupina CN, proto současně difunduje i dusík - vlastně nitrocementace. Rychlá metoda, dříve poměrně častá, dnes zakázána pro jedovatost kyanidů ( KCN – cyankali – LD50 = 0,2 g) Pronikají i kůží !
Intenzivní vývoj - hledání nových, nejedovatých lázní
Cementace ve směsi plynů Probíhá při atmosférickém tlaku, nebo při nepatrném přetlaku Používaná směs plynů je v termodynamické rovnováze Používané aktivní atmosféry : endoatmosféra nebo rozložený metanol Přibližné složení : 40 % dusíku, 20 % vodíku a 20 % CO, zbytek je vodní pára a CO2. Pro dobrou cementaci nutná regulace na uhlíkový potenciál atmosféry 0,8 – 1 %.
Meze pro regulaci cementace aktivní endoatm. - metan + vzduch s 1 % vlhkosti Pracovní oblast 0,8 až 1 % C 870 až 970 oC Černě rosné body : rozsah -16 až +1 oC Modře směšovací poměr vzduch : metan rozsah 2,38 až 2,44 Zeleně reakční konstanta : Žlutá oblast rozsah 20 až 80 – vhodné podmínky cementace
Možnosti regulace rosným bodem Dříve přímé sledování orosení při poklesu teploty, dnes většinou polovodičové čidlo vlhkosti. Jak je patrné, je třeba udržovat rosný bod v rozmezí -2 až +12 oC. Méně vhodná regulace při kolísající vlhkosti vzduchu při výrobě atmosféry - způsobuje komplikace
Žlutá oblast – vhodné podmínky cementace
Možnosti regulace množstvím CO2 Pro potřebný rozsah reakčních konstant (zeleně) se obsah CO mění nepatrně, obsah CO2 se mění v rozmezí 0,075 až 2 % (červeně). Lze velmi dobře regulovat obsah CO2 v atmosféře podle pohlcování infrazáření - INFRALYT Vlastně využití skleníkového efektu
Příklad regulace
Infratronik 6U 6 firmy INSTRON
Příslušný regulační diagram
Regulace uhlíkovou sondou Dnes nejčastější Udává přímo C potenciál Využívá vlastností keramiky ZrO2 jako tuhého elektrolytu - keramikou mohou procházet ionty kyslíku. V jiných použitích je obdobná sonda Údaje sondy jsou silně závislé označovaná také na dosažení termodynamické jako kyslíková sonda. rovnováhy
Regulátor s uhlíkovou sondou Je nutné měřit potenciál 1100 až 1200 mV měřidlem s velkým vnitřním odporem (bezproudově) Z diagramu je patrné, že je současně nutné přesně znát teplotu čidla - ta má velký vliv Žlutá oblast - optimální parametry cementace
Pracovní diagram regulátoru
Cementace v kapalném uhlovodíku Kape se petrolej, benzen nebo směs acetonu, terpentynu a alkoholu. Spotřeba 0,3 až0,5 l/hod. Odpařuje se a rozkládá na žhavé desce, není termodynamická rovnováha - neexistuje C potenciál. Pec s víkem nahoře – monokarb. Je nutný ventilátor pro rovnoměrné rozložení produktů rozpadu.Zatěsnění víka roztaveným kovem.
Velmi omezená regulovatelnost.
Cementace v plynném uhlovodíku Tendence při atmosférickém tlaku a vyšší teplotě bez kyslíku vytvářet saze. Aby k tomu nedošlo, nesmí dojít k termodynamické rovnováze – jen prvá fáze rozkladu. Sazení je hlídáno podle průsvitnosti atmosféry, propan přiváděn v pulsech. Jiná možnost – při výskytu sazí je do pece připuštěn vzduch – saze shoří.
Zředění uhlovodíku ∎ Proces Carbopulse firmy LINDE – směs dusíku a propanu - propan má velmi nízký parciální tlak – tím je potlačeno sazení ∎ Případně je možné saze zlikvidovat opatrným přivedením vzduchu (kyslíku) ∎ Možnost snížit celkový tlak atmosféry - vakuová cementace
Princip vakuové cementace - Atmosféra z čistého metanu, propanu a p. - Sazení je nutné zabránit dostatečným snížením tlaku. - Aby byla dostatečná nabídka uhlíku, nutné zpravidla zvýšit teplotu cementace – až na 1050 oC. Graf pro metan
Vlastnosti vakuové cementace Není přítomen kyslík ani jiné okysličovadlo – zachová se kvalitní povrch bez oxidů Vakuová cementace je rychlejší než klasická v plynu – vyšší teplota Snížení deformací a vnitřních pnutí Metoda je velmi ekologická – bezodpadová Malá spotřeba energie i uhlovodíků Nevýhoda – je nutno zabránit výskytu sazení Hůře regulovatelná - nedochází k rovnováze Do hloubky 1 mm vakuová cementace méně efektivní – vliv doby čerpání.
Pulsní vakuová cementace Metoda firmy HAYES Obvykle 5 až 10 pulsů po 3 až 5 minutách. Mezi nimi stejné doby difuze.
Regulace pouze počtem a délkou pulzů.
Regulace podle nárůstu tlaku Při úplném průběhu reakce rozkladu metanu CH4 = C + 2 H2 by se zdvojnásobil tlak – růst tlaku je ukazatelem postupu reakce. Při jeho nárůstu až na mez sazení je atmosféra obnovena připuštěním nového metanu
Regulace podle průsvitnosti atmosféry (Ibsen) Sazení se projeví poklesem průsvitnosti atmosféry. Pak se vždy odčerpá starý metan a napustí nový.
Mikrostruktura cementované vrstvy Hloubku cementace je možné zhruba posoudit podle metalografické struktury vrstvy. Nadeutektoidní oblast je nežádoucí - možnost mřížky cementitu, zvýšené množství zbytkového austenitu.
Ukázka správně cementovaného výrobku Má být rovnoměrně hluboká cementační vrstva s pozvolným přechodem do jádra. Protože cementace snižuje korozivzdornost, je možné posoudit hloubku cementace i podle koroze na řezu součásti.
