ЦИАНИРОВАНИЕ

Цианирование и нитроцементация стали: назначение и особенности технологии

Цианирование, целью которого является насыщение поверхностных слоев стали азотом и углеродом, представляет собой одну из разновидностей такой технологической операции, как нитроцементация. По сравнению с обычной цементацией, этот метод обработки стали является более эффективным, так как позволяет придавать стальным изделиям особые механические свойства.

Рассматриваемые процессы предусматривают термическую обработку изделий, производимую в специальных газовых печах

Особенности нитроцементации и цианирования

Хотя нитроцементация и цианирование преследуют одну цель (насыщение поверхностного слоя стали азотом и углеродом), они имеют одно существенное отличие. Заключается оно в том, что нитроцементации изделия подвергаются в газовой среде, а при цианировании такой средой является расплав цианида натрия или других солей.

Составы ванн и режимы цианирования изделий

Свою эффективность рассматриваемые технологические операции демонстрируют при обработке следующих материалов:

• сталей, относящихся к нержавеющей категории;
• легированных стальных сплавов, а также сталей, не содержащих легирующих добавок и характеризующихся средним содержанием углерода в своем составе;
• конструкционных сталей с низким содержанием углерода.

Цианирование стали, относящейся к одной из вышеперечисленных категорий, как и процесс ее нитроцементации, происходит при определенном температурном режиме (820–950°), который должен строго соблюдаться. В результате квалифицированного применения таких методов обработки удается решить следующие задачи:

• повысить износостойкость поверхности изделия;
• увеличить его поверхностную твердость;
• повысить предел выносливости металла.

Нитроцементация в различных средах

Существует еще одна разновидность цементации, которая называется мягким азотированием.

Такая обработка, которая выполняется при температуре около 590°, нужна среднеуглеродистым сталям для увеличения уровня их износостойкости и предела выносливости.

Цианированию также подвергают изделия из быстрорежущих сталей, что позволяет повысить твердость и устойчивость к износу их поверхностного слоя, а также сделать его более устойчивым к воздействию повышенных температур.

Целью цианирования руды, золото в составе которой может содержаться даже в очень незначительных количествах, является выделение из нее концентрата, характеризующегося высоким содержанием драгоценного металла.

Такой концентрат после его дальнейшей обработки может быть использован для производства золотых изделий.

Добыча золота методом цианирования

Диффузия азота и углерода в поверхностный слой стали

Насыщение поверхностного слоя изделия из стали азотом и углеродом, что и подразумевают под собой нитроцементация и цианирование, происходит за счет диффузии данных элементов во внутреннюю структуру стального сплава. В поверхностном диффузионном слое стального изделия при повышении температуры во время цианирования снижается количество азота, а количественное содержание углерода, наоборот, увеличивается.

углерода в диффузионном слое может увеличиваться непрерывно или только до определенного момента, а снижаться оно начинает только на последних этапах выполнения технологической операции.

За счет такой особенности процесса диффузии углерода насыщение поверхностного слоя стального изделия данным элементом может фиксироваться при разных температурах выполнения цианирования.

На степень насыщения большое влияние оказывают науглероживающие способности среды, в которой выполняется эта технологическая операция.

Температура цианирования влияет на глубину и состав нанесенного слоя

На параметры процесса совместной диффузии серьезно влияет азот, от которого, в частности, зависят:

• глубина слоя металла, на которую будет происходить диффузия углерода;
• степень насыщения такого слоя углеродом.

Между тем большое содержание азота в среде для цианирования может привести к тому, что диффузия углерода в структуру стали будет протекать недостаточно активно. Объясняется это тем, что азот, когда в рабочей среде для цианирования его содержится слишком много, способствует формированию на поверхности обрабатываемого изделия карбонитридных фаз или образований.

Процесс насыщения поверхностного слоя стального изделия азотом и углеродом при выполнении цианирования и нитроцементации протекает в две стадии, которые имеют мало общего, если сравнивать их кинетические показатели.

Так, на первой стадии, которая может продолжаться от 60 до 180 минут, поверхностный слой изделия насыщается и азотом, и углеродом. На следующем этапе отдельные атомы азота, уже абсорбированные в структуру стали, могут десорбироваться, то есть перейти обратно в газовую фазу и выйти наружу через поверхность сплава.

Установка для цианирования

Процесс уменьшения количества азота и увеличения содержания углерода в составе обрабатываемой стали, протекающий при увеличении температуры в ходе цианирования, имеет линейный характер. При этом такая линейность характерна лишь для верхнего слоя диффузионной зоны, в то время как в слоях стального изделия, располагающихся на большей глубине от его поверхности, она не наблюдается.

Характерной особенностью цианирования является то, что углерод проникает в обрабатываемое изделие на меньшую глубину, чем азот.

Глубина проникновения этих элементов в структуру стали зависит преимущественно от микроструктуры обрабатываемого материала.

Цианированные изделия небольшой толщины могут отличаться более высокой хрупкостью, если сравнивать их с деталями, обработанными по стандартной технологии цементации.

Преимущества и недостатки технологии

Процесс нитроцементации и цианирования, как уже отмечалось выше, осуществляется при относительно невысоких температурах, что способствует менее интенсивному износу используемого оборудования, а также не приводит к значительным деформациям обрабатываемых деталей. При этом выполнение технологических операций на таких режимах исключает необходимость охлаждать обрабатываемое изделие до низких температур.

После цианирования аустенитная структура стали становится более устойчивой, что улучшает прокаливаемость отдельных участков материала, которые были подвергнуты такой обработке. В частности, именно благодаря таким свойствам цианированного материала низколегированные стали можно закаливать в масле.

Остаточный аустенит, присутствующий в сталях, которые были подвергнуты цианированию, способствует улучшению таких характеристик материала, как:

• прочность на изгиб;
• ударная вязкость;
• пластичность;
• усталостная прочность.

Именно поэтому с помощью цианирования обрабатывают детали, которые в процессе своей эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам. Сюда, в частности, относятся валы и шестерни, сердцевина которых должна отличаться не только достаточной прочностью, но и достаточной вязкостью. Формирования именно таких характеристик и добиваются при цианировании.

Между тем выполнение цианирования имеет и ряд недостатков:

• Величина поверхностного слоя стали, характеристики которого улучшаются в результате выполнения такой технологической операции, составляет всего семь-восемь десятых миллиметра.
• При выполнении цианирования необходимо постоянно контролировать степень азотирования и науглероживания, которой обладает рабочая среда.

Цианирование стали

Существует множество способов обработки стали, направленных на изменение ее свойств. Один из них — цианирование. Виды, технологии, принципы, особенности и применение данных работ рассмотрены далее.

Цианирование стали

Суть технологии

Цианированием называют один из видов химико-термической обработки стали. Суть данного метода состоит в насыщении металлических поверхностей азотом и углеродом в температурном диапазоне от 530 до 950°С. По технологии это напоминает совмещение азотирования и цементации.

Рассматриваемый метод используется для сталей различных типов. Так, осуществляют цианирование нержавеющей стали, легированной, высокохромистой, с различным содержанием углерода, без легирующих добавок, конструкционной, быстрорежущей.

https://www.youtube.com/watch?v=WMBGfQ9bR8Q

Цель цианирования состоит в улучшении свойств металла. Так, данная технология обработки повышает твердость, предел выносливости, износостойкость материала. Принцип цианирования основан на диффузии в структуру материала углерода и азота.

Данный процесс включает две стадии:

• Сначала происходит насыщение верхнего слоя углеродом и азотом. Это продолжается 1 — 3 ч.
• Далее абсорбированные в структуру материала атомы азота могут десорбироваться (выходить через поверхность, перейдя в газовую фазу). При этом насыщение углеродом продолжается и на втором этапе.

Ход рассматриваемого процесса определяется температурным режимом. Так, в диффузионном верхнем слое при возрастании температуры сокращается содержание азота, и увеличивается количество углерода, причем непрерывно либо до конкретного момента. На последних стадиях операции концентрация азота начинает сокращаться.

Вследствие этого возможна фиксация насыщения данным элементом верхнего слоя стали при различных температурах. Сокращение содержания азота и повышение концентрации углерода при возрастании температуры происходит линейно.

Однако это актуально лишь для верхнего слоя материала, а в нижележащих данная закономерность не наблюдается.

Величина насыщения также значительно зависит от науглероживающих параметров среды, в которой осуществляется цианирование металла.

Кроме того, на особенности совместной диффузии воздействует количество азота, определяющее глубину распространения диффузии углерода и величину насыщения им слоя. Чрезмерное содержание азота может повлечь недостаточную скорость диффузии углерода. Это объясняется способствованием азота формированию карбонитридных образований на поверхности.

Глубина проникновения обоих элементов в сталь определяется ее микроструктурой. Однако в любом случае азот проникает на большую глубину, чем углерод.

Таким образом, результат работ определяется несколькими факторами. К ним относятся температура нагрева, концентрация азота и углерода, свойства среды и материала.

В результате на поверхности стали формируется двухслойное покрытие. Сверху расположен карбонитридный слой (Fe2(C, N)) толщиной 10 — 15 мкм. Он характеризуется высокой износостойкостью и меньшей хрупкостью в сравнении с чистыми нитридами и карбидами. Нижележащий слой представлен азотистым твердым ферритом (мартенситом). Общая толщина — 0,15 — 2 мм.

Виды

Цианирование классифицируют на основе следующих особенностей:

• температурного режима;
• фазового состава среды.

На основе фазы среды цианирование классифицируют на:

Принцип называемого также нитроцементацией газового цианирования заключается в нагреве при 530 — 570°С на протяжении 1,5 — 3 ч. предмета в содержащей азот и углерод газовой смеси, включающей, например, аммиак (NH3) и окись углерода (CO).

Химическое взаимодействие названных газов приводит к формированию атомарных азота и углерода. Они создают слой, толщина которого определяется температурой и длительностью и составляет от 0,02 до 0,004 мм. Его твердость равна 900 — 1200 HV.

Технология твердого цианирования близка к твердой цементации. Отличие состоит в составе карбюризатора: для рассматриваемых работ применяют материал, содержащий цианистые соли. Твердое цианирование по производительности значительно уступает прочим видам, поэтому оно используется редко. Далее рассмотрены более подробно жидкое и газовое цианирование.

Установка для цианирования

Жидкое цианирование является наиболее распространенным способом. При этом применяют расплавленные цианистые соли, представленные NaCl, NaCN, Na2CO3, BaCl2, BaCO2 в различных концентрациях и сочетаниях.

Существует регламент, определяющий температурный режим и продолжительность работ для разных составов смесей. Он же отображает толщину получаемого в результате слоя, которая составляет 0,15 — 1,6 мм.

Взаимодействие цианистых солей натрия с содой и солью приводит к их разложению с выделением атомарных азота и углерода. Основным компонентом цианистых солей является CN.

Повышение его содержания приводит к возрастанию концентрации азота и углерода в диффузионном слое, но не сказывается на его толщине. Жидкое цианирование служит в качестве окончательной обработки стали.

На основе температурного режима цианирование подразделяют на низко- и высокотемпературное. Обработка металла первого типа обеспечивает большее насыщение азотом, а высокотемпературное цианирование — наоборот углеродом.

Жидкую высокотемпературную обработку, называемую также жидкостной цементацией, осуществляют путем выдерживания деталей в печах-ваннах при 840 — 950°С на протяжении 5 — 45 мин. Такой способ позволяет достичь толщины диффузионного слоя до 0,075 — 0,1 мм.

Данный параметр определяется температурой и длительностью процесса. В любом случае наращивание слоя таким методом быстрее, чем при газовом цианировании. Однако данный способ весьма вредоносен, так как расплавленные цианистые соли токсичны.

Поэтому необходимы особые меры безопасности при осуществлении таких работ.

Низкотемпературное цианирование стали среднеуглеродистого состава называют также тенифер-процессом. Он заключается в насыщении материала преимущественно азотом путем пропускания через него сухого воздуха при 540 — 600°С.

Перед низкотемпературным цианированием осуществляют термическую обработку полного цикла при 500 — 600°С.

Процесс цианирования стали

Таким образом, низкотемпературное цианирование создает слой с большим содержанием азота, а при высокотемпературном образуется покрытие преимущественно углеродного состава (концентрация углерода составляет 0,6 — 1,2%, азота — 0,2 — 0,6%).

Применение

Учитывая результаты цианирования, а именно придаваемые им свойства, данный способ обработки используют для подверженных значительным нагрузкам в процессе эксплуатации стальных деталей.

К ним относят, например, шестерни и валы. Для данных предметов, а особенно их сердцевин, предъявлены повышенные требования не только к прочности, но и к вязкости.

Эти характеристики и придает цианирование.

Область применения данной технологии обработки определяется ее типом.

Так, низкотемпературную нитроцементацию используют для быстрорежущих сталей, цианирование — для среднеуглеродистых, быстрорежущих, высокохромистых сталей, а высокотемпературный способ — для шестерен и прочих деталей различных механизмов из простых углеродистых, легированных, средне- и низкоуглеродистых сталей.

Кроме того, жидкое высокотемпературное цианирование может применяться с целью придания деталям товарного вида, так как, благодаря такой обработке, на поверхности образуется матовая текстура. Причем для этого нужно нагреть их в цианистой ванне без выдержки.

Достоинства, недостатки

При выборе способа обработки необходимо учитывать толщину изделий, так как тонкие предметы, подвергнутые цианированию, могут иметь большую хрупкость, чем обработанные по технологии обычной цементации детали.

Это является недостатком рассматриваемой технологии. Кроме того, в результате такой обработки изменяются свойства не всего материала, а лишь его поверхностного слоя толщиной до 1,6 мм.

Наконец, в ходе цианирования необходим постоянный контроль степени науглероживания и азотирования рабочей среды.

В-третьих, не вызывает деформации обрабатываемых предметов. К тому же в подвергнутом цианированию материале содержится остаточный аустенит, способствующий улучшению многих параметров стали, а именно возрастает ударная вязкость поверхностей, стойкость к износу, прочность на изгиб, пластичность.

Кроме того, цианирование повышает твердость (до 58 — 62 HRC) и контактную выносливость материала. Также подвергнутые газовому цианированию детали отличаются улучшенной прокаливаемостью благодаря повышению устойчивости аустенитной структуры стали.

Так, например, низколегированную сталь после такой обработки можно закаливать в масле.

Близкие методы

Близким методом является мягкое азотирование. Его осуществляют при температуре примерно 590°С. Такую обработку используют для повышения износостойкости и предела выносливости среднеуглеродистых сталей.

Также по технологии рассматриваемая обработка близка к цементации. В сравнении с ней цианирование выгодно отличается тем, что образуемый слой обладает лучшей износостойкостью и устойчивостью к коррозии, большей твердостью, а также усталостной прочностью.

Кроме того, благодаря меньшим температурному режиму и продолжительности процесса, не происходит рост зерен. Ввиду этого сразу по завершении цианирования осуществляют закалку, что придает поверхности большую твердость.

Наконец, высокотемпературный процесс цианирования стали занимает меньше времени, чем цементация.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Pereosnastka.ru

Азотирование и цианирование

Категория:

Металлы

Азотирование и цианирование

Азотированием называется процесс насыщения поверхностных слоев изделия азотом. Оно сообщает высокую твердость, повышает износостойкость и усталостную прочность деталей.

Перед азотированием изделие из легированной стали, обычно содержащей хром, алюминий и молибден, подвергается закалке с высоким отпуском на сорбит и проходит полную механическую обработку. Затем оно помещается в печь, представляющую собой герметически закрытый муфель с электрическим обогревом, где и обрабатывается в атмосфере частично диссоциированного аммиака.

По окончании процесса азотирования печь выключается и деталь охлаждается под током аммиака до температуры около 200°. После азотирования деталь дополнительной термической обработке не подвергается и, пройдя легкую шлифовку, поступает на сборку.

Отсюда видно, что азотируемые детали в отличие от цементуемых сначала проходят термическую обработку, а затем подвергаются азотированию.

В связи с такой последовательностью операций азотированные изделия свободны от недостатков, свойственных цементированным деталям, проходящим термическую обработку после цементации.

Это является важнейшим преимуществом азотирования по сравнению с цементацией. Благодаря низкой температуре азотирования стальное изделие сохраняет сорбитную структуру.

Диффундируя в металл, азот не только образует нитриды хрома, алюминия и молибдена, но и растворяется в феррите сорбита.

Предельная растворимость азота в железе а имеет место при температуре 590° и составляет 0,42%, что во много раз превышает растворимость углерода.

Азотистый феррит входит в сорбит поверхностного слоя, содержащего высокотвердые нитриды. Такая структура сообщает поверхностному слою указанную высокую твердость.

Скорость азотирования при температуре 525° примерно в 10 раз меньше скорости цементации при 925° и составляет 0,01 мм в час. В практике азотирования получают обычно слои толщиной от 0,25 до 0,7 мм. Азотирование на глубину 0,7 мм продолжается 70—90 часов.

Стали для азотирования

Наряду со сталью 38ХМЮА в настоящее время применяются также стали с никелем, вольфрамом и ванадием.

Основными из них являются стали марок 18ХНМВА и 38ХНМФА, содержащие в среднем соответственно углерода 0,18 и 0,38%, хрома по 1,5%, никеля 4 и 1,5%, молибдена 0,2 и 0,3%.

Кроме того, сталь 18ХНМВА содержит 0,5% вольфрама (В), а сталь 38ХНМФА — 0,15% ванадия (Ф). Особенно желательно применение последней стали, как содержащей небольшое количество никеля.

Азотирование является эффективным средством повышения усталостной прочности деталей машин, причем особенно действенным оно оказывается для деталей и образцов, имеющих надрезы.

На обычных гладко полированных образцах предел выносливости в результате азотирования повышается с 49 кГ/мм2 всего лишь до 52 кГ/мм2, причем с увеличением диаметра эффективность азотирования уменьшается.

На образцах с надрезом в виде кольцевой канавки при азотировании происходит повышение предела выносливости с 24 до 42 кГ/мм2, а на образцах с надрезом в виде поперечного сверления — с 14 до 29 кГ/мм2.

Азотированные изделия не изменяют структуры и свойств при нагреве до температур порядка 500—600°.

Цианирование представляет собой процесс насыщения поверхностных слоев изделия одновременно углеродом и азотом. Различают низкотемпературное и высокотемпературное цианирование; первое применяется для инструментальных сталей, а второе — для упрочнения деталей конструкций.

При высокотемпературном цианировании в состав цементующей смеси входят ядовитые цианистые соли. Поэтому процесс цианирования должен проводиться с соответствующими предосторожностями.

В состав одной из распространенных ванн для высокотемпературного цианирования входит 35% NaCN, 35% Na2C03 и 30% NaCl. В ряде случаев вместо ядовитого NaCN в ванну для цианирования вводится цианамид кальция CaCN2, обладающий меньшей ядовитостью.

Цианированию подвергаются детали как из углеродистых, и легированных сталей. Химическая сущность процессов, дотекающих при цианировании, характеризуется несколькими основными реакциями.

В верхних слоях цианирующей ванны, где имеет место непосредственный контакт расплавленных солей с кислородом воздуха, происходит окисление цианида натрия по реакции: 2NaCN + Ог = 2NaCNO. В более глубоких слоях ванны происходит диссоциация продуктов первой реакции — цианата натрия, а именно:

4NaCNO = Na2C03 + 2NaCN + СО + 2N.

Образовавшаяся окись углерода хорошо растворяется в расплавленных солях ванны и при контакте с деталями, находящимися в ванне, науглероживает их по известной реакции: 2СО -f 3Fe = Fe3C + С02. Активный атомарный азот, выделившийся при диссоциации цианата натрия, также насыщает циани-руемое изделие.

Термическая обработка цианированных изделий состоит из закалки и низкого отпуска, причем в качестве нагрева под закалку используется выдержка в цианирующей ванне, т. е.

дополнительного нагрева не требуется.

Твердость цианированного слоя является промежуточной между твердостью азотированного и цементованного слоев, так как при цианировании насыщающими элементами являются одновременно и углерод и азот.

Для повышения стойкости режущего инструмента из быстрорежущей стали иногда применяют низкотемпературное цианирование, проводимое в жидкой или газовой среде при 550—570° в течение 10—30 мин как заключительная операция после термической обработки. Для жидкого цианирования применяется расплавленная смесь солей с добавкой K4Fe(CN)6 или NaCN, а при газовом — газообразная смесь продуктов пиролиза керосина и аммиака.

Эффективной защиты покрытиями от совместного насыщения азотом и углеродом при цианировании не имеется. Поэтому Места, не подлежащие цианированию, приходится утолщать за счет специально оставляемых припусков, которые затем удаляются шлифовкой.

Реклама:

Алитирование