Пути повышения производительности ХТО и решения сопутствующих проблем.
Опыты по изучению влияния повышенних температур по сравнению с обычными на скорость цементации, а также на строение и свойства цементованного слоя и сердцевины показали возможность весьма существенного ускорения процесса цементации при повышении температуры. Результаты таких опытов достаточно хорошо подтверждают теоретические данные о влиянии температуры на процесс диффузии. Коэффициент диффузии углерода в аустените при повышении температуры от 900 до 1000 °С возрастает примерно в 3 раза, а при повышении температуры от 900 до 1100 °С — в 9 раз. При достаточно быстром насыщении поверхности это соответствует уменьшению длительности процесса для получения определенного заданного слоя соответственно в 3 и 9 раз.
Однако, несмотря на резкое сокращение длительности процесса цементации при повышении температуры большинство заводов ведут процесс цементации при температурах 900—950 °С. К факторам, препятствующим применению более высоких температур цементации, относятся: сильно увеличенные расходы жароупорных сталей на ящики, муфели, корзины и нагреватели; увеличение деформации деталей; рост зерен и связанное с этим снижение механических свойств цементованного слоя и сердцевины; чрезмерное насыщение поверхности углеродом, приводящее к образованию цементитной сетки.
В ряде работ показаны возможные пути борьбы с ухудшением структуры и свойствами стали при высоких температурах цементации. Более мелкая структура и соответствующие высокие механические свойства цементованного слоя и сердцевины могут быть получены при высокотемпературной цементации в случае применения природных мелкозернистых сталей и, в частности сталей, содержащих элементы, препятствующие росту зерен аустенита: титана, ниобия, циркония, ванадия, молибдена. Очень сильное воздействие на строение и свойства изделий, прошедших высокотемпературную цементацию, оказывает последующай термическая обработка. При правильно выбранном режиме последующей закалки или нормализации можно почти полностью исправить структуру и механические свойства любой стали после высокотемпературной цементации. Борьба с чрезмерным насыщением поверхности углеродом и цементитной сеткой при высокотемпературной цементации возможна за счет правильного подбора менее активных карбюризаторов.
Важнейшими препятствиями для применения высокотемпературной цементации в печах остаются резкое увеличение расхода жароупорных сталей и увеличение деформации деталей. Высокочастотный нагрев цементуемых изделий в керамических тиглях или ретортах дает возможность использовать высокие температуры, не применяя жароупорных сталей.
ХТО с применением высокочастотного нагрева позволяет ускорить и усовершенствовать процессы химико-термической обработки. Прежде всего удается сократить период нагрева с нескольких часов до нескольких минут или даже секунд. Облегчается возможность повышения температуры процессов вследствие генерирования теплоты в изделиях, за счет чего длительность обработки может быть резко сокращена. В условиях высокочастотного нагрева можно обойтись без использования дорогих контейнеров и нагревателей из высоколегированной жароупорной стали, обеспечить разложение насыщающих элементов непосредственно на поверхности изделий.
Ускорение процессов в большинстве случаев является следствием повышения температуры и уменьшения времени нагрева до заданной температуры; иногда это связано с изменением условий поглощения поверхностью насыщающих элементов.
Цементация с применением высокочастотного нагрева.*
К недостаткам высокочастотного метода следует отнести большую сложность установок по сравнению с печами; необходимость использования природных мелкозернистых марок стали или последующей обработки для размельчения зерен; более жесткие требования в отношении активности карбюризатора, поскольку процесс ведется при более высокой температуре.
Сравнение стоимости нового метода со стоимостью старого метода может дать различные результаты в зависимости от стоимости электроэнергии, топлива и жароупорных материалов. Высокочастотный метод дает экономию жароупорной стали и площадей. Энергетические расходы несколько уменьшаются при переходе от цементации в обычных электрических печах к высокочастотной цементации. Однако, если обычная цементация ведется в топливных, и особенно в газовых, печах, то энергетические расходы при переходе на новый метод для большинства районов увеличиваются в связи с более высокой стоимостью электроэнергии. Новый метод цементации во всех случаях окажется дешевле в районах с низкой стоимостью электроэнергии.