Vybrané technologie povrchových úprav Cementace Doc. Ing. Karel Daďourek 2006
Oblast cementačních teplot
Tvrdosti před a po cementaci V zelené oblasti je tvrdost uhlíkových cementačních ocelí před cementací Černá křivka je tvrdost martenzitu
Množství zbytkového austenitu Nad eutektoidním obsahem uhlíku silně roste Proto necementovat příliš nad eutektoid Jinak nebezpečí přecementování pokles tvrdosti
Rychlost průběhu cementace
Výsledky cementace Obvyklá tvrdost cementované vrstvy je 58 až 62 HRc. Hloubka cementované vrstvy býlá obvykle několik desetin mm, výjimečně i nad 2 mm. Je stanovována nejčastěji jako tloušťka, v níž je tvrdost HRc nad 50, nebo obsah uhlíku nad 0,4 %. Po cementaci musí následovat kalení a popuštění. Dobu cementace je nutné přesně stanovit podle teploty cementace, požadované hloubky cementační vrstvy a typu oceli.
Teploty kalení po cementaci Zeleně oblast cementačních ocelí (jádro) Žlutě oblast cementovaných vrstev
Koncentrace uhlíku po cementaci Průběh koncentrace bezprostředně po cementaci K lepší úpravě průběhu často po cementaci difuzní perioda Teplota zpravidla stejná
Tvrdost po cementaci Bez difuzní periody černý průběh Difuzní perioda zhladí podle červené čáry Současně se zvětší hloubka cementace
Cementace v násypu Je již zastaralá používá se zpravidla směs dřevěného uhlí a uhličitanu barnatého v poměru 5 : 1 musí probíhat v uzavřené nádobě, v níž se při zahřátí na cementační teplotu z prášku vytvoří CO, který je nositelem uhlíku do povrchu oceli.
Cementace v solné lázni Tavenina ze směsi chloridů a kyanidů. Přenašečem uhlíku do povrchu oceli je skupina CN, současně s uhlíkem proto do povrchu oceli vstupuje i dusík. Dříve poměrně častá metoda, dnes ale zakázaná pro jedovatost kyanidů. Probíhá intenzivní výzkum tavenin, které by nebyly příliš jedovaté.
Cementace ve směsi plynů Při atmosférickém tlaku Plyny jsou v termodynamické rovnováze Používané aktivní atmosféry : endoatmosféra rozložený metanol Přibližné složení 40 % dusíku, 20 % vodíku a vody a 20 % CO a CO 2 Regulace na uhlíkový potenciál 0,8 až 1 %
Regulace rosným bodem Čidlo dnes obvykle polovodičové Jak je patrné, udržovat rosný bod v rozmezí 12 až + 2 o C Méně vhodné při kolísající vlhkosti vzduchu
Regulace množstvím CO 2 Pracovní oblast 0,8 až 1 % C a 870 až 970 o C Černě rosné body 16 až + 1 o C Modře směšovací poměr 2,38 až 2,44 Zeleně reakční konstanta 20 až 80
Regulace množstvím CO 2 Obsah CO se téměř nemění, obsah CO 2 od 0,075 do 2 % Obsah podle pohlcování infrazáření INFRALYT Vlastně skleníkový efekt
Infratronik 6U 6 - Ipsen
Uhlíková sonda C sonda udává přímo uhlíkový potenciál atmosféry Využívá vlastností tuhého elektrolytu ZrO 2, kterým mohou procházet ionty kyslíku V jiných použitích je sonda často označována také jako kyslíková sonda Její údaje jsou silně závislé na termodynamické rovnováze atmosféry
Regulace C sondou Měří se potenciál 1100 až 1200 mv Měřidlo musí mít velmi malý odběr Nutno současně měřit přesně teplotu má velký vliv
Cementace v kapalném uhlovodíku 1. Petrolej, benzol nebo směs acetonu, terpentynu a alkoholu a p kape přímo na rozpálenou destičku v peci, na níž se rozkládá 2. Nedochází k termodynamické rovnováze není definován uhlíkový potenciál 3. Spotřeba 0,3 až 0,5 l/ hod. 4. Je nutný ventilátor v peci pro rovnoměrné rozdělení produktů rozpadu. 5. Pec s víkem nahoře monokarb 6. Zatěsnění víka roztaveným nízkotavitelným kovem 7. Jen omezeně regulovatelné
Cementace v plynném uhlovodíku Plynný uhlovodík při atmosférickém tlaku má za nepřítomnosti kyslíku tendenci vytvářet saze. Proto používán zatím výjimečně. Nesmí dojít až k termodynamické rovnováze jen prvá fáze rozkladu Proces Carbopulse Linde směs dusíku a propanu, metan má velmi nízký parciální tlak jako při vakuové cementaci. Sazení je hlídáno podle průsvitnosti atmosféry metan je přiváděn v pulzech. Jiná metoda při výskytu sazení je do peci připuštěn vzduch, aby saze shořely
Princip vakuové cementace Atmosféra čistého plynného uhlovodíku Sazení je nutné zabránit snížením tlaku Aby byla dostatečná nabídka uhlíku, často nutné zvýšit teplotu cementace
Výhody vakuové cementace Není přítomen kyslík v jakékoliv podobě Vakuová cementace může být rychlejší než klasická Zachovává se kvalitní povrch Snížení deformací a vnitřních pnutí Metoda je velmi ekologická Malá spotřeba energie i uhlovodíků Nevýhoda nutno hlídat sazení Proto nedosahujeme termodynamické rovnováhy V důsledku toho hůře regulovatelné Do hloubky 1 mm je vakuová cementace neefektivní převládá vliv doby čerpání
Pulsní vakuová cementace Podle firmy Hayes cementace oceli 14 220 na hloubku 0,9 mm Obvykle užíváno 5 až 10 pulzů po 3 až 5 minutách
Regulace podle nárůstu tlaku Při úplném průběhu reakce CH 4 = C + 2 H 2 se zdvojnásobí objem plynu V peci by tedy vzrostl tlak na dvojnásobek. Je stanovena mez, kdy již může docházet k sazení Při dosažení odpovídajícího tlaku je atmosféra obnovena přidán uhlovodík.
Regulace podle průsvitnosti Sazení se projeví poklesem průsvitnosti atmosféry Pak se vždy odčerpá starý a napustí nový metan
Přímé kalení 1. Z cementační teploty 2. Jádro i povrchová vrstva kalena z příliš vysoké teploty. 3. Proto je struktura hrubozrnná a křehká 4. Jen pro podřadné účely je nejlevnější.
Jednoduché kalení na vrstvu Součást se nechá po cementaci pomaleji vychladnout a kalí se až z teploty pro správné zakalení vrstvy. Vrstva má optimální vlastnosti Jádro je však poněkud hrubší a křehčí Používá se nejčastěji vhodný kompromis kvality a ceny.
Dvojité kalení Součást se nejprve zakalí z kalicí teploty jádra Znovu se ohřeje, ale jen na kalicí teplotu vrstvy a zakalí se znovu. Vrstva je tím správně zakalena, v jádře nenastala úplná překrystalizace, ale zůstane v něm směs převahy nízkouhlíkového martenzitu a malého množství vysokouhlíkového martenzitu poněkud se zvýší tvrdost jádra. Tím je dosaženo optimálních mechanických vlastností po cementaci. Dvojité kalení je však dražší a vede k větším deformacím po kalení.
Mikrostruktura cementované vrstvy Hloubku cementace je možné zhruba posoudit podle mikrostruktury Nadeutektoidní oblast je nežádoucí Může vznikat cementitická síťka a současně zvýšené množství zbytkového austenitu
Správně cementovaný výrobek Rovnoměrná cementační vrstva s pozvolným přechodem do jádra Protože cementace snižuje korozivzdornost, možno posoudit hloubku cementace i podle koroze na řezu