Douhličení ve vakuových pecích s LPC

Jak by řekl filozof, vše dobré je k něčemu špatné …  Cementace za sníženého tlaku alias vakuová cementace má tu výhodu, že je velice rychlá. Jednak proto, že na rozdíl od cementace v ENDO atmosféře pracujeme s čistým prostředím, kde transfer uhlíku z atmosféry má minimální množství bariér, jednak proto, že díky vakuu můžeme jít na vyšší teploty procesu, které nám procesy cementace ještě více urychlí. Pokud ale potřebujeme povrch jen douhličit, tzn. opravit vrstvu oduhličenou při odlévání nebo při kování, pak tato rychlost je na škodu, protože se pohybujeme jen v malých vrstvách s CHD od 50 do 100 µm s časy pouze řádově v minutách (Obr. č. 1).

Obr.č. 1 – Závislost CHD na čase a teplotě pro malé difuzní hloubky

LPC je založeno na tom, že vstřikujeme určité množství C2H2 do vakuové komory tak, aby bylo dosaženo saturace prostředí pro vznik karbidů železa Fe₃C. V další fázi, pouze jen za přítomnosti dusíku, dochází k rozmývání vrstvy a snižování obsahu uhlíku. Tyto segmenty se několikrát opakují, přičemž doba nauhličení, sytící perioda, je v minutách a mění se pouze minimálně, doba rozmývání, tedy difuzní perioda, se postupně s každým dalším segmentem prodlužuje. Závěrečná fáze cementace je pak nastavena tak, abychom se dostali s obsahem uhlíku na eutektoidní množství, zhruba na 0,75% C (Obr. č. 2). Celkový čas procesu cementace je pak vyjádřen následujícím vzorcem,

Čas LPC = ∑(t _{sytící periody_C2H2}) +  k  *  ∑(t _{difuzní periody_N2})

Kde k je přibližně 5.

Obr.č. 2 – Schematické znázornění procesu vakuové cementace z hlediska sytících a difúzních period

Na dalším obrázku je schematicky znázorněn proces cementace.

Obr.č. 3 – Schematické znázorněni procesu vakuové cementace

U douhličení by proces měl probíhat obdobně, nicméně vzhledem k rychlosti difuze uhlíku máme na dosažení optimálního výsledku obvykle jen jeden pokus. Jednu periodu saturační a jednu periodu difuzní. Difuzní periodou pak nedosahujeme obsahu uhlíku odpovídajícího eutektoidnímu množství, ale odpovídající chemickému složení oceli, např. 0,3 až 0,4 %C.

Obr.č. 4 – Schematické znázorněni procesu douhličení  

Co z toho vyplývá? Narozdíl od douhličení ve víceúčelových pecích, kde pracujeme s atmosférou ENDO, a kde si jednoduše nastavíme potenciál Cp v hodnotě odpovídající obsahu uhlíku v oceli, u LPC musíme proces testovat. Záleží na tom, co bude dál. Obvyklé procesy jsou

• douhličení a normalizace
• douhličení a kalení do oleje
• douhličení, normalizace a kalení do oleje

Obr.č. 5 – Grafické znázornění vlivu atmosféry na oduhličení nebo nauhličení  [1]

V prvním případě se nic zásadního nestane, budeme mít feriticko-perlitickou strukturou s větším nebo menším množstvím perlitu. V druhém a třetím případě se bude měnit tvrdost povrchu po kalení v závislosti na množství uhlíku. Pokud díly přeuhličíme, po kalení budou mít na povrchu vyšší tvrdost a zhorší se obrobitelnost, pokud je nedouhličíme, pak budeme mít problém s dosažením tvrdosti odpovídající vybranému typu oceli.

Obr.č. 6 – Vliv obsahu uhlíku na tvrdost martenzitu po kalení [2]

Co k tomu říci na závěr? Proveditelné to je, jak to ale řídit? Pro nauhličení platí tato rovnice:

Pro oduhličení tato rovnice:

kde

• c v hmot. % je požadovaná koncentrace uhlíku po difuzním kroku, v případě douhličení je to množství uhlíku v oceli, např. 0,4 hmot .%
• c₁ v hmot. % je výchozí koncentrace před započetím difuze, tedy zhruba koncentrace 1,3% hmot.% pro Fe₃C
• c₀ v hmot. % je koncentrace uhlíku v oceli, kterou douhličujeme, a v tomto případě c = c₀
• x je CHD v m
• D je difuzní tok uhlíku pro danou teplotu do austenitu vms^-1, viz obr. č. 7
• t je čas difuzního segmentu ve vteřinách

Přenos uhlíku do oceli vyjádřený koeficientem D je závislý na teplotě a roste se zvyšující se teplotou

Obr.č. 7 – Rychlost difuze uhlíku do austenitu v závislosti na teplotě [3]

Pokud si nastavíme koncový body difuzního segmentu např. na 0,1 mm, pak difuzní segmenty potřebné pro snížení množství uhlíku např. z 1,3 hmot. % na 0,4 mm budou mít časy dle diagramu na obr.č. 8. Podle teploty od 8 do 15 minut.

Obr.č. 8 – čas difuzního segmentu potřebný pro snížení obsahu uhlíku z 1,3 hmot. % na 0,4 hmot. % v závislosti na teplotě [3]

Výsledkem tohoto našeho snažení je to, že je to proveditelné, i když s většími komplikacemi jak u klasické cementace v plynu. Protože ale cíleně zařízení pro LPC jsou určeny pro opravdovou cementaci, výhody procesu LPC vynahradí bohatě problémy s douhličením.

[1] Pavel Stolař, Chemicko-tepelné zpracování, 2004

[2] Daniel Herring,  https://www.industrialheating.com/articles/90008-martensite, 2011

[3] http://www.fsiforum.cz/upload/soubory/databaze-predmetu/BUM/bum2008/bum-2008-zaklady-difuze.pdf

Jiří Stanislav

17. prosince 2023