M. Brunčko s sodel.: Vakuumska cementacija VAKUUMSKA CEMENTACIJA Mihael Brunčko, Peter Kirbiš, Ivan Anžel Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojinštvo, Smetanova 17, 2000 Maribor STROKOVNI ČLANEK POVZETEK Vakuumska cementacija je sodoben, zelo učinkovit in ekološko sprejemljiv postopek termokemične toplotne obdelave jekel, pri katerem jeklo z malo ogljika površinsko naogljičimo in nato zakalimo. Metoda je danes že na številnih področjih zamenjala klasično plinsko cementacijo zaradi boljše ponovljivosti in enako-mernosti doseženih cementiranih plasti obdelovancev. Vakuumska cementacija je proces, ki je izveden v atmosferi ogljikovodikov, kot je acetilen, pri zelo nizkemu parcialnemu tlaku, ki je navadno pod 20 mbar, v razmerah, ki so daleč od termodinamskega ravnovesja. Globino cementirane plasti in koncentracijski gradient dosežemo pri vakuumski cementaciji z regulacijo časa trajanja aktivnih (faza ogljičenja) in pasivnih (faza difuzije) faz procesa. V prispevku so predstavljene osnove vakuumske cementacije jekel, njene prednosti in slabosti v primerjavi s klasično plinsko cementacijo ter metode, ki omogočajo spremljanje procesa vakuumske cementacije. V sklepu prispevka podajamo opis raziskovalnega dela, opravljenega na Inštitutu za tehnologijo materialov na Fakulteti za strojništvo v Mariboru na področju razvoja neporušne merilne metode, namenjene spremljanju vakuumske cementacije jekel. Ključne besede: vakuumska cementacija, globina cementirane plasti, neporušne merilne metode, sprotne meritve električne upornosti Vacuum carburizing ABSTRACT Vacuum carburizing is a modern, very efficient and environmentally friendly process for case hardening of steels, where the low carbon steel is first surface carburized and than quenched. Nowadays the technology has replaced atmosphere carburizing in many cases due to better repeatability and uniformity of heat treated samples. The process of vacuum carburizing is performed under oxygen-free hydrocarbon gas atmosphere, usually pure acetylene at partial pressure lower than 20 mbar and in conditions which are far from thermodynamic equilibrium. The process consists of the cycles of active (saturation) and passive (diffusion) stages. Desired case depth and corresponding target concentration profile of carbon can be supervised by controlling the duration of these two stages. The present paper describes the fundamentals of vacuum carbu-rizing of steels and its advantages compared with the conventional gas carburizing procedure. Additionally, the measurement methods enabling monitoring of the process are presented. In the conclusion of the paper, the research work, made on the Institute of Materials Technology (Faculty of Mechanical Engineering Maribor) which is dealing with development of nondestructive in-situ measurement method for monitoring of vacuum carbu-rizing process is discussed. Keywords: vacuum carburizing, carburized zone, non-destructive measurement method, in-situ electrical resistance measurement 1 OSNOVE VAKUUMSKE CEMENTACIJE Vakuumska cementacija je moderen in tehnološko napreden postopek obdelave jekel, pri katerem jeklo z malo ogljika površinsko naogljičimo navadno do koncentracije C 0,8-0,9 % in ga nato zakalimo. Končni rezultat cementacije sta z ogljikom obogatena površi- na, kije po poboljšanju trda, in jedro, ki ostane žilavo. V primerjavi s klasično plinsko cementacijo, kjer poteka ogljičenje pri tlaku plina za cementacijo, ki je blizu atmosferskemu ali višji, poteka proces vakuumske cementacije v vakuumski peči pri nizkem parcialnem tlaku plina za cementacijo (do 20 mbar) [1-13]. Proces je navadno sestavljen iz več faz (slika 1): (i) faza evakuiranja (do 10-1 mbar), (ii) faza segrevanja do izotermne temperature žarjenja (med 900 °C in 1050 °C - odvisno od sestave jekla), (iii) faza ogljičenja ali aktivna faza, pri kateri dovajamo plin za cementacijo v komoro peči (do 20 mbar), (iv) faza difuzije ali pasivna faza - v tej fazi poteka difuzija ogljika v obdelovanec v vakuumu (10-1 mbar), in (v) faza kaljenja, ki navadno poteka v plinskem mediju: N2, He ali H2, redkeje v oljni kopeli [1-18]. Tabela 1: Disociacija plinov za vakuumsko cementacijo (T = 900-1000 °C in p < 20 mbar): Plin Potek disociacije Metan Etilen Propan Acetilen CH4 - CH4 C2H4 - C + CH4 C3H8 - C + 2CH4 C3H8 - C2H4 + CH4 - C + 2CH4 C3H8 - C2H2 + H2 + CH4 - 2C + 2H2 + CH4 C2H2 - 2C + H2 V aktivni fazi oz. fazi ogljičenja sprožimo ogljičenje preizkušanca z dovajanjem reaktivnega plina navadno nasičenega, nenasičenega ali cikličnega ogljikovodika (CH4, C3H8, C2H2, C2H4, C6H6 ...) ali Slika 1: Potek vakuumske cementacije 4 VAKUUMIST 36 (2Q16) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija mešanice le-tega s H2 ali N2 v vakuumsko komoro peči. Pri dani temperaturi cementacije ogljikovodik razpade v več vmesnih stopnjah na ogljik in vodik (tabela 1). Ogljik se nato adsorbira na površini preizkušanca in difundira v njegovo notranjost. Pri tem je stopnja disociacije plina in njegova učinkovitost za cementacijo odvisna od temperature in parcialnega tlaka plina v atmosferi. Tako je značilno, da je v temperaturnem območju med 900 °C in 1000 °C pri parcialnem tlaku plina pod 20 mbar stopnja disociacije za metan (CH4) zelo majhna in plin ni primeren za doseganje večjih koncentracij ogljika na površini obdelovanca ter večjih globin cementirane plasti [5, 8, 21]. Bistveno boljše rezultate je mogoče doseči z uporabo propana (C3H8) ali etilena (C2H4). Njuna slabost je le v tvorbi velike količine saj v komori peči in neprimernosti za ce-mentacijo obdelovancev z izvrtinami [8]. Najboljši učinek dosežemo z uporabo acetilena (C2H2), ki direktno razpade v ogljik in vodik (tabela 1) z minimalno tvorbo saj na površini obdelovancev in v komori peči [8]. Tako ostane površina obdelovancev po cementaciji čista in gladka, stroški vzdrževanja peči v primerjavi z uporabo propana pa so bistveno nižji. Za primerjavo, pri enaki temperaturi in parcialnem tlaku plina se efektivno za cementacijo porabi le 7 % propana, medtem ko je poraba acetilena 50 %. izkoristek je še slabši pri klasični plinski cementaciji, kjer se le 1 % plina efektivno izkoristi za cementacijo [11]. Acetilen je prav tako zelo primeren za cementacijo obdelovancev kompliciranih oblik z globokimi izvrtinami, saj tvori zelo enakomerno globino cemen-tirane plasti, neodvisno od oblike obdelovanca tudi pri zelo nizkih parcialnih tlakih. Za dosego enakomerne plasti cementacije je treba zagotoviti enakomerno adsorpcijo ogljika po celotni površini obdelovanca. Večjo adsorpcijo lahko izboljšamo s (i) prisilnim mešanjem plina v vakuumski komori, (ii) povečanjem parcialnega tlaka plina ali (iii) izbiro plina z večjo stopnjo disociacije. Vendar ima povečanje parcialnega tlaka plina tudi svoje slabe lastnosti: poveča se poraba plina za cementacijo ob še večji tvorbi saj v komori peči. Problemu saj se je mogoče izogniti z (i) redčenjem plina ogljikovodika z vodikom ali dušikom, s tem povečamo tlak v komori, ne da bi povišali parcialni tlak plina ogljikovodika, (ii) s povečanjem cirkulacije plina s pulznim delovanjem vakuumskih črpalk, kar vpliva na bolj učinkovito izrabo plina tudi pri nižjih parcialnih tlakih in (iii) z aktivacijo plina s plazmo, ki se navadno uporablja pri plinih z manjšo stopnjo disociacije, kot je na primer metan - cementacija s plazmo [2-5]. 1.1 Jekla, primerna za vakuumsko cementacijo Jekla, primerna za ogljičenje, vsebujejo od 0,1 % do 0,25 % C z glavnimi legirnimi elementi mangan, krom, molibden in nikelj. Največji vpliv ima krom, ki je močan karbidotvorec (tvori karbide - spojine kroma in ogljika). Jekla izbiramo glede na potrebno trdnost in žilavost jedra ter odpornost proti obrabi površine. Delimo jih na: • ogljikova cementacijska jekla, ki jih uporabljamo pri konstrukcijskih delih, ki morajo imeti trdno površino in žilavo jedro z majhno obremenitvijo; • kromova cementacijska jekla, ki jih uporabljamo, ko je potrebna dobra odpornost proti obrabi; • krom-manganova in krom-nikljeva jekla, ki se uporabljajo za zelo obremenjene konstrukcijske dele, za katere je potrebna trdna površina z večjo trdnostjo jedra in dobro žilavostjo. Vakuumska cementacija se uporablja za cementi- ranje zobnikov, zobatih kolesc, gredi, rezil, rezkal, matric, pogonskih zobnikov in gredi, šob za vbrizgavanje goriva ... 2 FIZIKALNO-KEMIJSKO OZADJE VAKUUMSKE CEMENTACIJE Za vakuumsko cementacijo je značilno, da je koncentracija ogljika v komori peči vedno bistveno višja od maksimalne topnosti ogljika v avstenitu pri dani temperaturi cementacije in tako poteka nadzor koncentracije ogljika na površini obdelovanca s spreminjanjem časovnih intervalov trajanja aktivne faze (faze ogljičenja) in pasivne faze (faze difuzije) oz. razmerjem med tema dvema fazama ter številom njunih ciklov [1-18]. Fizikalno-kemijsko ozadje pojavov, ki se odvijajo med aktivno in pasivno fazo vakuumske cementacije bomo razložili na primeru ogljičenja čistega železa z acetilenom pri temperaturi cementacije 950 °C. Proces vakuumske cementacije se vedno začne s segrevanjem obdelovanca v vakuumu do želene izotermne temperature, kjer sprožimo aktivno fazo oz. fazo ogljičenja z dovodom acetilena z želenim parcialnim tlakom v komoro peči. Obdelovanec je nato izpostavljen tej atmosferi za predpisan čas trajanja aktivne faze tA. Acetilen je nenasičen ogljikovodik, ki pri visoki temperaturi razpade s katalitično reakcijo v ogljik in vodik (C2H2 ^ 2 [C]y + H2). Katalitična reakcija poteče le v stiku s površino kovine (slika 2a) [21]. V nadaljevanju se atomi ogljika adsorbirajo na površini obdelovanca, ki je zaradi velike stopnje disociacije acetilena že v zelo kratkem času popolnoma prenasičena. Posledično se na površinski plasti obdelovanca tvori plast cementita Fe3C in tudi drugih karbidov (legirana jekla) (slika 2b). 5 VAKUUMIST 36 (2016) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija Slika 2: Aktivna faza vakuumske cementacije: adsorpcija in difuzija ogljika (a) ter tvorba cementitne plasti (b) Karbidi drugih legirnih elementov ne delujejo kot katalizator, tako se rast karbidne plasti ustavi -acetilen iz atmosfere ne razpade ob stiku s površino. Notranji volumen preizkušanca se v nadaljevanju procesa napaja z ogljikom le preko ogljika, ki nastane z disociacijo karbidov iz zunanje karbidne plasti [22, 23]. Za aktivno fazo vakuumske cementacije je tako značilno, da je koncentracija ogljika v površinskem sloju avstenita bistveno višja od želene (0,8 % do 0,9 % ogljika), prav tako je koncentracijski gradient ogljika v površinski plasti zelo strm, tvorba cementita in drugih karbidov (legirana jekla) pa zaviralno vpliva na difuzijo ogljika, saj zavre katalitičen razpad ace-tilena. Za aktiviranje nadaljnje rasti naogljičene plasti in zmanjšanje koncentracije ogljika na optimalno, mora aktivni fazi slediti še pasivna. V pasivni oz. difuzijski fazi sledi za optimalni konec adsorpcije ogljika in njegove difuzije v notranjost ponovno evakuiranje komore peči in žarjenje obdelovanca v vakuumu za predpisan čas tP. V tej fazi dosežemo razpad površinske plasti cementita ter difuzijo ogljika iz naogljičene površine obdelovanca v notranjost (slika 3). Pasivna faza traja tako dolgo, da dosežemo želeno globino naogljičene plasti in koncentracijski gradient v njej. Dosego želene koncen- Slika 3: Pasivna faza vakuumske cementacije tracije ogljika in globine cementirane plasti ter preprečitev prekomernega naogljičenja in tvorbe karbidov na površini obdelovanca dosežemo s ciklično izmenjavo aktivne in pasivne faze. Čas trajanja aktivne in pasivne faze je navadno v razmerju od 1 : 2 do 1 : 3 v korist pasivne faze [13]. Cementacija v vakuumu se konča s kaljenjem. V tej fazi znižamo temperaturo peči na temperaturo kaljenja in nato obdelovanec kalimo - navadno s plinom ali v oljni kopeli. 2.1 Vpliv razmerja med ~asom aktivne in pasivne faze ter {tevilom ciklov na globino cementira- ne plasti Eksperimentalne raziskave so pokazale [13], da ima razmerje med aktivno in pasivno fazo pri enakem skupnem času procesa t = NtA + NtP (pri krajših časih tP se ustrezno podaljša število ciklov N, tako da ostane skupen čas procesa t enak) minimalen vpliv na globino cementirane plasti. V viru [13] navajajo, da je efektivna globina cementirane plasti hef največja pri razmerju tA/tP = 1/1 ter da se zmanjšuje s korakom pribl. 0,15 mm pri tA/tP = 1/2 do tA/tP = 1/3. Na drugi strani pa ima razmerje odločilen vpliv na globino karbidne plasti, ki je največje pri razmerju 1/1 ter najmanjše pri razmerju 1/3 (za 0,24 mm). Podobne ugotovitve veljajo tudi za število ciklov N. Večje število ciklov ima večji vpliv na povečanje globine karbidne plasti kot pa na efektivno globino cementi-rane plasti. Pri krajših časih pasivne faze (1/1) se tako na celotni površini preizkušanca tvori navidezno kon-tinuirna plast karbidov. Podobna opažanja so tudi pri eksperimentih, ki so potekali samo v eni stopnji brez cikliranja. Tako ima formacija karbidne plasti na površini obdelovanca vpliv, da: (i) stabilizira proces in (ii) pospeši difuzijo ogljika iz karbidne plasti v notranjost. Na drugi strani je seveda karbidna plast na površini neželena na končnih izdelkih. Zato se v 6 VAKUUMIST 36 (2016) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija zadnjih ciklih procesa vedno podaljša čas trajanja pasivne faze procesa. Tako lahko s spremembo razmerja tA/tP vplivamo tudi na debelino cone karbidov in njihovo morfologijo ter posledično tudi na mehanske lastnosti obdelovanca. V praksi se je pokazalo, da je najučinkovitejše z vidika ekonomičnosti procesa ter vidika morfologije karbidne cone ter mehanskih lastnosti obdelovanca, da je čas trajanja pasivne faze nekoliko krajši na račun povečanja števila ciklov N. Tako v viru [13] priporočajo: tA = 5 min in tP = 10 min v prvih ciklih procesa ter podaljšanje tP na 25 min do 40 min v zadnjih ciklih procesa. Podaljšanje časa trajanja pasivne faze v zadnjem ciklu ima tako vpliv na zmanjšanje pre-nasičenosti površinske plasti z ogljikom, kar ugodno vpliva na morebitno nadaljnjo mehansko obdelavo obdelovancev. Podaljšanje pasivne faze v zadnjem ciklu ima tudi ugoden vpliv na morfologijo karbidnih delcev, ki so enakomerno dispergirani po volumnu, nekoliko se tudi poveča debelina cone karbidov zaradi difuzije raztopljenega ogljika v notranjost, gostota karbidnih delcev pa ni tako velika. Na račun povečanja časa trajanja pasivne faze se zmanjša tudi delež tvorjene karbidne plasti na površini obdelovanca ter prav tako se zmanjša prenasičenost površinskega sloja z ogljikom. Na površini obdelovanca se tvori Fe3C že po 60 s izpostavitve acetilenu pri 930 °C in po 60 s žarjenja v vakuumu plast tvorjenega Fe3C ponovno disociira in ogljik difundira v notranjo plast obdelovanca [13]. 2.2 Nadzor in spremljanje procesa vakuumske cementacije Nadzor cementacije v vakuumu je odvisen od razumevanja vpliva številnih parametrov, ki imajo vpliv na adsorpcijo in difuzijo ogljika v obdelovancu [3-20]. Ti parametri so: • čas trajanja procesa, ki pomeni vsoto časov trajanja aktivne in pasivne faze oz. vsoto števila ciklov teh dveh faz; • temperatura; • atmosfera (vrsta plina, tlak, pretok). Na izbiro gornjih procesnih parametrov vpliva površina in geometrija obdelovanca, sestava jekla, želena globina cementirane plasti in potek koncentracijskega gradienta v njej. V primerjavi s plinsko cementacijo pri tlaku, ki je blizu atmosferskemu ali višji in jo kontroliramo oz. reguliramo s spreminjanjem ogljikovega potenciala v plinski atmosferi. Skladno s posamezno stopnjo procesa poteka regulacija cementacije v vakuumu nekoliko drugače. Pri klasični plinski cementaciji navadno spremljamo globino cementirane plasti posredno z nadzorom atmosfere v peči s kisikovo sondo. Nasprotno za nadzor vakuumske cementacije ne moremo uporabiti kisikove sonde, saj poteka cemen-tacija v vakuumu. Tako ob konstantnih procesnih parametrih (pri temperaturi cementacije in parcialnemu tlaku ogljikovodika v atmosferi) nadziramo globino cementirane plasti in koncentracijski gradient ogljika v njej s spreminjanjem dolžine trajanja aktivne in pasivne faze ter s številom obeh faz. Za dosego ustreznega števila ciklov in časa trajanja aktivne in pasivne faze se navadno v industrijskem okolju uporabljajo računalniško-simulacijski programi, s katerimi zmanjšamo število poskusnih serij proizvodnje. Računal-niško-simulacijski program, temelječ na empirično razviti bazi podatkov, na osnovi znanih procesnih parametrov (temperaturi cementacije in parcialnemu tlaku ogljikovodika v atmosferi) in sestavi jekla določi koncentracijo ogljika na površini obdelovanca in difuzijsko hitrost ogljika ter napove globino in koncentracijski gradient ogljika v naogljičeni plasti [2,13]. Prekomerno ogljičenje in tvorjenje karbidov se preprečuje oz. nadzoruje s spreminjanjem oz. s ciklično izmenjavo faze ogljičenja in faze difuzije ter časov trajanja le-teh. Ker je atmosfera vedno prenasičena z ogljikom, tako reguliramo tudi globino ter koncentracijski profil ogljika v naogljičeni plasti stopenjsko z izmenjavanjem faze ogljičenja in faze difuzije. 3 MODULARNA ZASNOVA OPREME ZA VAKUUMSKO CEMENTACIJO Sodobne peči za vakuumsko cementacijo so modularno zasnovane, lahko so enokomorne, opremljene z enoto za kaljenje pod visokim tlakom (do 20 mbar) s plini, kot so N2, N/He, He in N2/H2. Peči za vakuumsko cementacijo so zasnovane na grafitnih grelcih z grafitno izolacijo ali SiC-grelcih s klasično oksidno izolacijo. Še bolj učinkovite so dvokomorne peči, kjer je prva komora peč za segrevanje obdelo-vanca na želeno temperaturo ogljičenja, druga pa je namenjena kaljenju obdelovanca v olju in/ali v plinski atmosferi pri visokem tlaku. Mogoče so tudi konti-nuirne izvedbe peči, sestavljene iz več komor, v katerih lahko ob procesu vakuumske cementacije in kaljenja izvajamo tudi poboljšanje obdelovancev za doseganje boljše žilavosti materiala (slika 4a). Cementacija obdelovancev lahko poteka v šaržah, kjer je večje število obdelovancev naloženih na pladnje v peči (slika 4b). Najnovejše peči pa omogočajo kontinuirno cemen-tacijo posameznih obdelovancev po principu enega za drugim, na tekočem traku. Takšna linija za vakuumsko cementacijo proizvajalca Seco/Warwick je bila predstavljena letos prvič na sejmu toplotne obdelave Thermprocess v Dusseldorfu v Nemčiji (slika 4c). 7 VAKUUMIST 36 (2016) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija Slika 4: (a) Saržna enokomorna peč za vakuumsko cemen-tacijo proizvajalca Ipsen International [26] (b) saržna večkomorna modularna zasnova peči ter (c) kontinuirna zasnova peči za vakuumsko cementacijo proizvajalca Seco/Warwick [27] Prednost takšne zasnove peči je v še večji ponovljivosti rezultatov, kar posledično vodi k zmanjšanju izmeta ter večji ekonomičnosti in okoljski sprejemljivosti procesa. Sedaj je mogoče z današnjo tehnologijo cemen-tirati v vakuumu obdelovance velikosti 600 mm x 600 mm x 900 mm in mase nad 300 kg z visoko enakostjo trdote površine, globine cementirane plasti in koncentracijskega gradienta ogljika v njej. V praksi je največji izziv zagotoviti homogeno in ponovljivo obdelavo čim večjega števila večjih, gosto zloženih obdelovancev. Višje temperature cementacije omogočajo skrajšanje celotnega procesnega časa [2,3]. 3.1 Plini za vakuumsko cementacijo a) Metan Kot prvi plin za cementacijo v vakuumu se je uporabljal metan kot logična izbira, saj je najcenejši, splošno dosegljiv in se že leta uporablja za klasično plinsko cementacijo. Metan je reaktiven, če se uporablja v kombinaciji s CO, CO2, H2, vodno paro in drugimi substituenti, ki se navadno uporabljajo v endotermnih atmosferah. Na drugi strani je metan kot samostojen plin zelo stabilen in nereaktiven tudi pri zelo visokih temperaturah. Zato je uporaba metana kot samostojnega plina pri vakuumski cementaciji mogoča le pri zelo visokem tlaku metana med 300 mbar in 500 mbar. Pri tako visokem tlaku je sicer ogljičenje uspešno, vendar pa se obenem tvori v peči tudi velika količina saj, ki zelo poveča obratovalne in vzdrževalne stroške procesa. Problem slabe reaktivnosti metana pri nizkem parcialnem tlaku se da rešiti z uporabo plazme, pri čemer z visoko enosmerno napetostjo 1000 V dosežemo ionizacijo metana in njegovo reaktivnost tudi pri parcialnem tlaku nižjem od 15 mbar brez tvorbe saj. Cementacija s plazmo se navadno uporablja za delno cementacijo še posebej slepih izvrtin. b) Propan Uporaba propana daje zelo dobre rezultate, še posebej pri tlaku med 25 mbar in 35 mbar, kjer je stopnja tvorbe saj zelo majhna. c) Acetilen Zaradi naštetih pomanjkljivosti nasičenih ogljikovodikov se je začela uporaba nenasičenih ogljikovodikov za vakuumsko cementacijo, kot sta acetilen in etilen. Zaradi dvojnih in trojnih nenasičenih vezi, ki so zelo šibke, so ti ogljikovodiki zelo reaktivni že pri sobni temperaturi. Vendar pa ima visoka stopnja reaktivnosti za posledico tvorbo saj, zato nasičene ogljikovodike uporabljamo v vakuumu pri izredno nizkem parcialnem tlaku (nekaj 10 mbar). Naslednja slabost nenasičenih ogljikovodikov je tvorba težjih komponent na mestih v peči, ki so vodno hlajena. Prednosti vakuumske cementacije z acetilenom: • bistveno zmanjšana poraba plina za cementacijo za dosego želene globine cemetirane plasti in ustreznega koncentracijskega gradienta ogljika v njej; 8 VAKUUMIST 36 (2016) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija • ni potrebno povišanje tlaka za cementacijo pri izdelkih kompliciranih oblik s slepimi izvrtinami z razmerjem l/d med 12-50; • visoka stopnja učinkovitosti procesa - pri vakuumski cementaciji z acetilenom se efektivno uporabi od 25 % do 35 % ogljika iz atmosfere za cementacijo; pri uporabi propana le od 5 % do 10 %, medtem ko je učinkovitost klasične plinske cementacije le 1 %: • odlična enakomernost cementirane plasti ne glede na obliko obdelovanca; • velika ponovljivost rezultatov procesa; dosega želene mikrostrukture z optimalnimi in predvidljivimi lastnostmi; • povečana produktivnost na račun zmanjšanje stroškov popravila peči zaradi zmanjšanja količine saj. č) Ciklični ogljikovodiki Dandanes prevladuje težnja po izbiri takšnega medija za cementacijo, ki ima visok potencial za cementacijo, toplotno stabilnost, odpornost proti tvorbi stranskih produktov, kot so saje in tar. V praksi se je izkazala uporaba cikličnih nasičenih ogljikovodikov s pet ali šest atomi ogljika (ciklopentan, cikloheksan). Ti ogljikovodiki se nahajajo v tekočem agregatnem stanju in niso plinasti pri sobni temperaturi. Imajo visoko toplotno stabilnost in razpadejo le v stiku z obdelovancem - potek katalitične reakcije z kovinami (platina, nikelj, redke zemlje, železo). odlikujejo se z majhno stopnjo tvorbe saj na površini obdelovanca ter v komori peči. Plinasti ogljikovodik se v komoro peči dozira s posebnimi šobami, ki so del računalniško krmiljenega dozirnega sistema z odzivnostjo med 2 ms in 140 ms. Nadtlak v vbrizgalnem sistemu dosežemo z inertnim plinom (Ar, N2). Prednost te metode je v doseganju zelo enovite cementirane plasti, ki ni odvisna od geometrijske kompleksnosti obdelovanca. Rezultati raziskave so pokazali minimalne odmike med globino cementirane plasti, merjeno v korenu in vrhu zoba z ujemanje globin > 90 %, medtem ko je povprečno ujemanje globin pri klasični plinski cementaciji pod 65 %. 3.1.1 U~inkovitost plinov za cementacijo Metan (CH4) - V temperaturnem območju 900-980 °C je termodinamično stabilen in deluje bolj kot inertni plin, saj se sprosti le 3 % ogljika. Za povečanje učinkovitosti metana kot plina za cementacijo, ga je treba stimulirati - ionizirati s plazmo pri napetosti 1000 V in gostoti toka pribl. 0,6 mA/cm2. V tem primeru se pri razpadu metana v plazmi sprosti do 80 % ogljika. Acetilen (C2H2) - V temperaturnem območju med 920 °C in 980 °C poteče disociacija acetilena, pri tem se sprosti do 80 % ogljika. Količina ogljika je v atmosferi peči vedno večja od maksimalne topnosti ogljika v obdelovancu, tako da pride do prenasičenja površinskega sloja obdelovanca že v nekaj minutah izpostavljenosti atmosferi cementacije. Propan (C3H8) - Pri disociaciji propana v temperaturnem območju med 920 °C in 980 °C se sprosti do 30 % ogljika. 3.2 Kaljenje obdelovancev z uporabo plina pod visokim tlakom Na področju kaljenja hitroreznih jekel in vroče ter hladno preoblikovanih orodnih jekel se dandanes uporablja praktično samo še kaljenje z uporabo plinov pod visokim tlakom in je le-to popolnoma zamenjalo uporabo solnih in oljnih kopeli. Prav tako je dandanes mogoče kaliti večino jekel, namenjenih za cemen-tacijo, s plini in plinskimi mešanicami pri visokem tlaku. Gašenje s plinom odlikuje visoka ekonomska učinkovitost in prijaznost do okolja. Plina, kot sta helij ali dušik, sta popolnoma inertna in brez tveganja za okolico in ne pustita kemijskih produktov na površini vzorca ter na konstrukcijskih elementih peči. Tako ni treba investirati v dodatno opremo, kot so pralne linije ali sistemi za nadzor požarne varnosti. Ta dejstva tako bistveno vplivajo na zmanjšanje stroškov. V primeru uporabe helija kot plina za gašenje se zaradi njegove visoke cene uporablja sistem za reciklažo helija in njegovo ponovno uporabo. V praksi se uporabljajo številni plini za gašenje, kot so: Ar, N2, He, H2, pri čemer dosežemo največji efekt gašenja z vodikom, najmanjšega pa z argonom. Neodvisno od vrste plina narašča intenzivnost hlajenja z naraščanjem tlaka gašenja in naraščanjem hitrosti plina. obstaja velika razlika pri prenosu toplote iz obdelovanca v medij kaljenja. Pri kaljenju v vodi ali olju je obdelovanec izpostavljen številnim fazam, ki se odvijajo med kaljenjem v tekočem mediju: (i) nastanek tanke plasti vrelega medija na površini obdelovanca, (ii) nastanek plasti mehurčkov medija za kaljenje na obdelovancu in (iii) hlajenje obdelovanca s konvekcijo. Vsaka od naštetih faz hlajenja ima svoj koeficient toplotne prevodnosti, kar ima za posledico nastanek temperaturnih gradientov v obdelovancu. Posledica tega je neenakomerno ohlajanje obdelo-vanca in pojav njegove dimenzijske in geometrijske izkrivljenosti. Na drugi strani med uporabo plina za kaljenje ne pride do spremembe njegovega agregatnega stanja, zato je prenos toplote v obdelovancu homogen, kar se odlikuje v večji dimenzijski stabilnost obdelovancev. 9 VAKUUMIST 36 (2016) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija Prednosti kaljenja s plini proti kaljenju v olju ali vodi: • obdelovanci so čisti in suhi po kaljenju; • ni potrebe po pralnih strojih ter ni onesnaževanja vode; • ni potrebe po popravilih kompliciranih pralnih linij in ni potrebe po čistilnih linijah za čiščenje vode, uporabljene za pranje obdelovancev; • peči za vakuumsko cementacijo tako zasedejo bistveno manj prostora v primerjavi s konvencio-nalnimi linijami; • bistveno zmanjšanje stroškov; • intenzivnost kaljenja kontroliramo z regulacijo velikosti tlaka plina; • ni potrebnih zaščitnih pregrad za nastalo oljno oz. vodno paro; • zmanjšano tveganje obdelovancev. 4 PREDNOSTI VAKUUMSKE CEMENTACIJE PRED KLASIČNO PLINSKO Vakuumska cementacija ima številne prednosti pred klasično plinsko cementacijo. Površina izdelkov je čistejša kot pri plinski cementaciji. Zaradi boljšega nadzora procesa so odmiki med obdelovanci manjši. Vakuumske cementacijske peči so čistejše in okolju ter ljudem prijaznejše od plinskih [1-13]. Zaradi gladke in čiste površine obdelovancev po vakummski cemen-taciji površine obdelovancev ni več treba dodatno čistiti ali celo mehansko obdelovati. Zaradi poteka procesa v vakuumu in uporabe plinov, ki ne vsebujejo kisika, ni oksidacije površine obdelovancev ter ni pojava oksidacije po mejah zrn. Poraba plinov za cementacijo je bistveno manjša kot pri klasični plinski -nekaj dm3/h proti m3/h. Vakuumsko cementacijo odlikujejo še naslednje prednosti pred klasično plinsko [2, 3, 24]: • visoka ponovljivost rezultatov procesa pri globinah cementirane plasti od 0,1 mm do 5 mm; • krajši časi za dosego želene globine cementirane plasti v primerjavi s klasično plinsko cementacijo; • doseg enakomerne globine cementirane plasti; • enostavnost cementacije obdelovancev kompliciranih oblik z ozkimi in/ali slepimi odprtinami; • enostaven nadzor globine cementirane plasti; • ni potrebna uporaba izpušnih sistemov za nastale pline pri cementaciji; prav tako ni potrebna uporaba »ognjene zavese« za odgor vnetljivih izpušnih plinov; • višje temperature cementacije omogočajo skrajšanje celotnega procesnega časa; • manjše emisije CO2. 5 RAZVOJ METODE ZA SPROTNO SPREMLJANJE VAKUUMSKE CEMENTACIJE Na Fakulteti za strojinštvo, Inštitutu za tehnologijo materialov, se ukvarjamo z razvojem metode, ki bi omogočala sprotno in neporušno spremljanje cementacije. Razvijamo merilno celico, ki omogoča spremljanje globine naogljičene plasti med vakuumsko cementacijo (slika 5). Metoda spremljanja procesa vakuumske cementacije temelji na osnovi sprotnih meritev spremembe električne upornosti v preizku-šancu med aktivno in pasivno fazo. Med ogljičenjem se zaradi obogatitve vrhnjega sloja z ogljikom močno spreminja tudi specifična električna upornost vzorca. Električna upornost je med najbolj strukturno občutljivimi lastnostmi kovinskih materialov. S spremembo mikrostrukture, ki je med drugim tudi odvisna od vsake kemijske reakcije ter fazne transformacije, se v materialu spremeni število, vrsta ali koncentracija napak v kristalni mreži (prazna mesta, vrinjeni atomi, dislokacije, meje zrn ...). Vse te napake povzročajo oviranje ter sipanje elektronov, ki se gibljejo skozi snov zaradi zunanjega električnega polja in tako vplivajo na spremembo električne upornosti snovi [28]. Na diagramu na sliki 6 je prikazana sprememba električne upornosti med vakuumsko cementacjo maloogljičnega jekla pri temperaturi 950 °C in parcialnem tlaku acetilena 5 mbar. Ogljičenje je bilo izvedeno z eno aktivno (tA = 10 min) in pasivno fazo (tP = 20 min). Z diagrama je razvidno, daje iz krivulje spremembe električne upornosti mogoče jasno Slika 5: Merilna celica (a) in laboratorijska vakuumska pe~ (b) za sprotno spremljanje vakuumske cementacije jekel 10 VAKUUMIST 36 (2016) 1 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija Slika 6: Spremljanje vakuumske cementacije s sprotnimi meritvami spremembe elektri~ne upornosti Slika 8: Mikrostruktura nooglji~ene plasti po aktivni in pasivni fazi (tA = 10 min, tP = 20 min, T = 950 °C, p(C2H2) = 5 mbar) razlikovati aktivno fazo od pasivne. Med aktivno fazo električna upornost narašča zaradi raztapljanja ogljika v kristalni rešetki avstenita, vse dokler ne dosežemo prenasičenosti avstenita z ogljikom in izločanja cementita. Izločanje cementita je povezano s padcem električne upornosti. Po končani aktivni fazi je koncentracija ogljika na površini obdelovanca bistveno večja od 0,8 %, kar je razvidno iz prisotnosti sekundarnega cementita, izločenega na mejah perlitnih zrn (sliki 7). V pasivni fazi je pojav ravno nasproten. Med nadaljevanjem žarjenja preizkušanca v vakuumu sledi razpad cementitne plasti, kar ima za posledico povečanje električne upornosti. Na mikroposnetku na sliki 8 je razvidno, da je naogljičena cona preizkušanca po končani pasivni fazi sestavljena le iz zunanje perlitne in notranje perlitnoferitne plasti, medtem ko je sredica preizkušanca še vedno sestavljena samo iz feritnih zrn. Po mejah perlitnih zrn ni opaziti izločanja sekundarnega cementita, iz česar Slika 7: Mikrostruktura naoglji~ene plasti po aktivni fazi (tA = 10 min, T = 950 °C, MC2H2) = 5 mbar) 8 VAKUUMIST 36 (2016) 1 lahko sklepamo, daje koncentracija ogljika v površinski plasti približno 0,8 % . 6 SKLEP Vakuumska cementacija je dandanes že na številnih področjih izpodrinila klasično plinsko zaradi boljše ponovljivosti, krajših procesnih časov ter okoljske sprejemljivosti. Ocenjuje se, da bo v prihodnjih desetih letih delež vakuumsko cementiranih proizvodov zrasel iz današnjih 10-15 % na 40 % celotnega trga cementiranih produktov. Opravljene raziskave na področju razvoja merilne metode za sprotno spremljanje procesa vakuumske cementacije potrjujejo, da nova merilna metoda omogoča kvalitativen in kvantitativen vpogled v pojave, ki se med vakuumsko cementacijo odvijajo v obdelovancu. Z zasnovano merilno metodo je mogoče neporušno in sprotno določiti globino cementirane plasti oziroma optimizirati čas trajanja aktivne in pasivne faze za dosego želene globine cementirane plasti. Namen razvoja metode je dobiti globlji vpogled v dogajanje v fazi adsorpcije, raztapljanja in difuzije atomov ogljika v površinskem sloju obdelovanca. Ta spoznanja bodo dobrodošla za (i) izboljšanje modelov spremljanja kinetike procesa vakuumske cementacije, ki so osnova računalniških simulacijskih programov, s katerimi so opremljene vakuumske peči za cementacijo oz. (ii) omogočila razvoj direktne metode spremljanja procesa vakuumske cementacije v industrijskem okolju. 7 LITERATURA [1] Heat Treatments, ASM Handbook, vol 4, ASM International, USA, 2007, 348 [2] I. Hitoshi, IHI Engineering Review, 38 (2005) 2, 83-88 [3] S. Bruce, V. Cheetham, Low-Pressure Carburising Systems: A Review of Current Technology, Proceedings - 15th IFHTSE and SMT20, Vienna, Austria, Sept 25-29, 2006 M. Bruncko s sodel.: Vakuumska cementacija [4] A. Goldsteinas, Industrial Heating, 74 (2007) 5, 71-76 [5] W. Gräfen, M. Hornung, O. Irretier, M. Rink, HTM - Haerterei-Technische Mitteilungen, 62 (2007) 3, 97-102 [6] D. H. Herring, F. J. Otto, Advanced Materials and Processes, 165 (2007) 3, 31-33 [7] S. Carey, D. Herring, Heat Treating Progress, 7 (2007) 3, 43-46 [8] R. Poor, Industrial Heating, 74 (2007) 1, 43-47 [9] L.-H. Chiu, Y.-J. Chen, C.-H. Wu, H. Chang, Solid State Phenomena, 118 (2006), 91-96 [10] V. M. Osterman, Industrial Heating, 72 (2005) 9, 95-99 [11] F. J. Otto, D. H. Herring, Heat Treating Progress, 5 (2005) 1, 133-137 [12] J. Kowalewski, A. Wiechczyfski, Industrial Heating, 73 (2006) 1, 39-42 [13] P. Kula, R. Pietrasik, K. Dybowski, Journal of Mat. Proc. Tech., 164-165 (2005), 876-881 [14] W. Gräfen, O. Irretier, M. Rink, HTM - Haerterei-Technische Mitteilungen, 62 (2007) 2, 71-76 [15] R. U. Khan, S. Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert, H. D. Minh, K. Norinaga, V. M. Janardhanan, O. Deutschmann, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 81 (2008) 2, 148-156 [16] R. U. Khan, S. Bajohr, F. Graf, R. Reimert, Molecules, 12 (2007) 3, 290-296 [17] M. Okumiya, S. Hagi, K. Orita, Y. Tsunekawa, Y. Umeda, T. Nagai, Diffusion and Defect Data Pt. B: Solid State Phenomena, 118 (2006), 97-102 [18] W. Grafen, B. Edenhofer, Heat. Treat. Met., 26 (1999) 4, 79-85 [19] H. Altena, F. Schrank, S. Heineck, B. Haase, F. Hoffmann, F. Graf, D. Liedtke, S. Bajohr, HTM - Haerterei-Technische Mitteilungen, 61 (2006) 4, 195-206 [20] T. Morita, T. Hanyuda, Journal of the Iron and Steel Institute of Japan, 92 (2006) 4, 268-273 [21] M. Sugiyama, K. Ishikawa, H. Iwata, Using acetylene for superior performance vacuum carburizing, Proceedings of the 18th Conference on Heat Treatment, Oct. 12-15, 1998, 49-56 [22] N. M. Ryzhov, A. E. Smirnov, R. S. Fakhurtdinov, Metal Science and Heat Treatment, 46 (2004) 7-8, 340-344 [23] N. M. Ryzhov, A. E. Smirnov, R. S. Fakhurtdinov, L. M. Mulyakaev, V. I. Gromov, Metal Science and Heat Treatment, 46 (2004), 5-6, 230-236 [24] Z. Gawronski, B. Kruszynski, P. Kula, Journal of Mat. Proc. Tech., 159 (2005), 249-256 [25] A. Stich, H. M. Tensi, HTM Harterei-Techn. Mitt., 50 (1995), 31-35 [26] Ipsen International, Inc, An Update on Low Pressure Carburizing Techniques and Experiences (zadnjic dostopano 8. 2. 2008), www.ipsenusa.com [27] Seco-Warwick, Precision case hardening for high volume manufacturing (zadnjic dostopano 10. 3. 2016), www.secowarwick.com [28] K. Schroder, CRC Handbook of Electrical Resistivities of Binary Metallic Alloys, CRC Press, Boca Raton, Florida, 1988 12 VAKUUMIST 36 (2016) 1