La cementación de gas incluye dos procesos en serie: uno es que el carbono en la atmósfera se transfiere a la superficie del acero a través de una reacción química (controlada por el potencial de carbono y el coeficiente de transferencia de carbono), y el otro es que el carbono se difunde desde la superficie hacia el interior (controlado por la temperatura, el tiempo y el coeficiente de difusión del acero). Las principales reacciones son la reacción de metano CH₄ → [C] + 2H2, la reacción límite 2CO → [C] + CO₂, y la reacción de gas de agua CO + H₂ → [C] + H₂O Cuando el metano residual en el gas portador es muy bajo y la atmósfera está cerca del equilibrio, el potencial de carbono puede caracterizarse por reacciones límite o reacciones de agua-gas.
- Proceso de dos pasos: transferencia de carbono superficial + difusión interna
- Tres reacciones principales: reacción de metano, reacción límite, reacción de gas de agua
- Cuando el gas portador está cerca del equilibrio, use la relación CO/CO₂ o CO/O₂ para calcular el potencial de carbono.
- La tasa de penetración se ve afectada por la temperatura, el potencial de carbono, el coeficiente de transferencia de carbono y el tipo de acero.
Dos series de procesos
- Transferencia de carbono (reacción superficial)Los componentes que contienen carbono en la atmósfera se descomponen en la superficie del acero y "dan" carbono al acero. La velocidad depende de la diferencia entre el potencial de carbono de la atmósfera y el contenido de carbono en la superficie, y el coeficiente de transferencia de carbono. β.
- Difusión de carbono (difusión en estado sólido): El carbono se difunde desde la superficie de alta concentración hasta el centro de baja concentración, siguiendo la ley de Fick. La velocidad depende principalmente de la temperatura (el coeficiente de difusión aumenta exponencialmente con la temperatura) y el tiempo.
El diseño del proceso de cementación es encontrar un equilibrio entre los dos: suficiente suministro de carbono en la superficie y evitar el carbono superficial excesivo.
Tres reacciones principales
| Reacción | Ecuación | Descripción |
|---|---|---|
| Reacción de metano | CH₄ → [C] + 2H2 | El gas enriquecido (gas natural, propano) proporciona carbono y reacciona lentamente |
| Reacción en la frontera (Boudouard) | 2CO → [C] + CO₂ | El CO es el principal componente de suministro de carbono |
| reacción de gas de agua | CO + H₂ → [C] + H₂O | Es rápido y es una de las principales formas de cementación. |
Además, hay una reacción de desplazamiento agua-gas continua CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ en la atmósfera, uniendo H₂O y CO₂.
Cuando se diseña la atmósfera, el metano residual después de que el gas portador entra generalmente se controla para que sea muy bajo, de modo que la atmósfera esté cerca del equilibrio químico y permanezca estable. En este memento, la transferencia de carbono se puede caracterizar por una reacción de gas de agua o una reacción límite. Esta es la base teórica para la sonda de oxígeno y el analizador de CO₂ para calcular el potencial de carbono.
Coeficiente de transferencia de carbono
Incluso si el potencial de carbono es el mismo, diferentes atmósferas transfieren carbono a la superficie del acero a diferentes velocidades. β está relacionada aproximadamente con el producto de las presiones parciales de CO y H₂, por lo que:
- El gas puro craqueado con metanol (tanto CO como H₂ son altos) proporciona el más rápido;
- Gas endotérmico centrado con nitrógeno-metanol (aproximadamente 20% de CO, 40% de H₂);
- Una atmósfera diluida (alta proporción de N₂) viaja más lentamente.
Factores que afectan la tasa de penetración
- temperatura: El más significativo. Aumentar la temperatura puede acortar en gran medida el tiempo de cementación, pero causará crecimiento de grano y mayor deformación;
- Potencial de carbono: Cuanto mayor sea el potencial de carbono, mayor será la concentración de carbono en la superficie y mayor será la fuerza impulsora de la difusión;
- tipo de atmósfera: Determina el coeficiente de transferencia de carbono;
- Tipo de acero: Los elementos de aleación afectan la solubilidad y la difusión del carbono en la austenita;
- Carga del horno y circulación de la atmósfera: Afecta la uniformidad de la atmósfera en todas las partes.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la temperatura general de cementación?
La cementación convencional en atmósfera controlada suele estar entre 900-950 °C, siendo común 920-930 °C. La cementación a alta temperatura puede acortar el tiempo, pero se debe prestar atención al tamaño y la deformación del grano.
¿Gas natural o propano para el enriquecimiento de gas?
Ambos están bien. El propano contiene más carbono, tiene una fuerte capacidad de enriquecimiento y utiliza menos cantidad; el gas natural es más fácil de obtener y los productos de combustión son más limpios. La elección depende de la configuración del sistema de suministro y control local.
¿Por qué es necesario apagarlo después de la cementación?
La cementación solo aumenta el contenido de carbono de la capa superficial, que debe enfriarse para formar martensita con alto contenido de carbono antes de que la superficie pueda obtener una alta dureza; luego se templa a baja temperatura para reducir la fragilidad.