Нитроцементация стали — цель, виды, технология

Нитроцементация представляет собой по сравнению с обычной цементацией более эффективный процесс обработки стали, придающий ей особые механические свойства.

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.

В металлургической отрасли также используется такая технологическая операция, как цианирование золотосодержащих руд, которая в корне отличается от всех вышеперечисленных методов обработки сталей. 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

Цель цианирования стали и суть технологии

Первоочередная цель цианирования лежит в укреплении поверхностного слоя стали различных деталей, придании ему более высокого предела выносливости, так как этот слой подвержен наибольшим нагрузкам во время эксплуатации механизмов, конструкций. Насыщение поверхностного слоя металла углеродом и азотом принято применять из-за их быстрого проникновения, когда они взаимодействуют одновременно. Методом цианирования можно обрабатывать следующие виды металла:

• любые нержавеющие стали;
• сплавы стальные легированные либо те, где нет присутствия легирующих компонентов, стали с концентрацией углерода средних показателей;
• стали конструкционного назначения, где присутствует мало углерода.

Химико-термический способ цианирования придерживается следующей технологии:

1. В рабочую ванну с расплавленной солью цианистой состава 15% Na₂CO₃, 60% NaCl и 25% NaCN помещают деталь.
2. Далее рабочую среду нагревают до температуры от 930 до 530 градусов по Цельсию (в зависимости от выбранного режима обработки).
3. Выделяющиеся из соли оксид углерода и азот насыщают металл несколько часов.

Все нюансы прохождения обработки металла в итоге зависят от выбранного температурного режима.

Сущностью процесса, по которому углерод с азотом могут проникнуть внутрь слоя стали, является диффузия. В течение перечисленных выше этапов технологии процесс проходит две основные стадии, разделенные временными периодами:

1. Начальный период нитроцементации длительностью от одного до трех часов, характеризующийся внедрением в кристаллическую решетку металла атомов азота, углерода.
2. Конечный период, когда предварительно проникшие и насытившие сталь атомы азота начинают десорбироваться (покидать поверхность, вновь приобретая состояние газа), углерод же при этом продолжает насыщать металл до тех пор, пока не закончится воздействие температуры и рабочей среды.

Виды цианирования

Есть несколько способов цианирования, которые выполняют по своей технологии для определенных типов стали с достижением разных результатов обработки. Так можно классифицировать процесс:

• по используемому термическому режиму;
• по физическому состоянию среды, где происходит цианирование (твердая, жидкая или газообразная нитроцементация).

Высокотемпературное цианирование

Высокотемпературное цианирование выполняют при рабочей температуре порядка 800–900 градусов по Цельсию. Здесь сталь насыщается преимущественно углеродом с численным показателем процентного содержания в слое от 0.6 до 1.2% (цементация жидкостная). Азот присутствует в таком процентном соотношении – 0.2–0.6%. Образованный укрепленный слой может быть толщиной от 2 до 0.15 миллиметров.

Высокотемпературный метод отличается тем, что обработанные изделия требуют проведения дополнительных операций воздействия, таких как закаливание металла, низкий отпуск. После проведения полного комплекса мероприятий полученный слой имеет структуру, состоящую из поверхностного слоя тонкого Fe₂(C, N) (карбонитриды), следующего за ним слоя мартенсита азотистого.

Низкотемпературное цианирование

Обработку металла низкотемпературную (тенифер-процесс) выполняют при рабочей температуре порядка 540–600 градусов по Цельсию. Здесь металл насыщается преимущественно азотом. Таким способом укрепляют высокохромистые, быстрорежущие стали, которые используются для изготовления инструментов. Низкотемпературное цементирование не предполагает более никаких операций – это заключительный этап обработки.

Метод жидкостного цементирования цианистыми солями считается одним из самых вредных для здоровья, так как соли натрия представляют собой сильное ядовитое вещество.

Низкотемпературная нитроцементация

В промышленности, для конструкционных и инструментальных сталей иногда применяют нитроцементацию при более низких температурах. Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 °С в течение полутора – трех часов в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe3(N, C), обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000–11000 HV. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендуется проводить в качестве аналога жидкому азотированию в расплавленных цианистых солях.

Описание

Преимущества

По сравнению с цементацией, нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура α ↔ γ-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените (табл. 1). С повышением температуры эффект ускорения уменьшается (табл. 1).

Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930—950 °С) и нитроцементации (840—860 °С) на толщину 0,5—0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл при нитроцементации, по сравнению с цементацией, сокращается на 50—60 %.

Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.

Применение

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочнённого слоя 0,2—1,0 мм. На ВАЗе 94,5 % деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5—3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0—5,5 мм — 0,4 ± 0,1.

Оборудование

Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование — шахтные, камерные или проходные печи.

3 Ключевые достоинства нитроцементации и цианирования

Относительно невысокая температура процесса повышает эксплуатационный потенциал металлургических печей и оборудования, обеспечивает снижение уровня деформации, а также позволяет выполнять закалку стали сразу же после процедуры насыщения ее поверхности. Причем при закалке отпадает необходимость в остужении до малых температур обрабатываемого изделия.

Газовое цианирование гарантирует высокую устойчивость аустенита, что ведет к повышению степени прокаливаемости нитроцементованных зон металла. Такая высокая степень дает возможность осуществлять в масле закалку низколегированных заготовок.

Присутствие остаточного аустенита в стали увеличивает прочность детали на изгиб, ударную вязкость, пластичность металла. Кроме того, аустенит увеличивает усталостную прочность изделий за счет того, что он эффективно противодействует образованию усталостных нарушений.

Газовое цианирование, обладая всеми описанными достоинствами, стали активно применять для упрочнения валов и зубчатых колес, относимых к группе высоконагруженных элементов машин и механизмов. Они должны обладать высокой прочностью сердцевины (до 200 кГ/мм2) и при этом характеризоваться достаточной вязкостью. Цианирование обеспечивает именно такие результаты.

Отдельно добавим, что существует особое сорбционное цианирование – процесс, используемый для растворения в цианистых соединениях золота. Данная процедура производится в присутствии кислорода. Она позволяет добывать благородный металл из золотосодержащих руд с минимальными затруднениями.

Напоследок скажем, что одновременная загрузка азота и углерода (газовое цианирование или нитроцементация) имеет несколько недостатков. К ним обычно причисляют следующие явления:

• ограничение глубины слоя показателем от 0,7 до 0,8 миллиметров;
• потребность в постоянном корректировании азотирующей и науглероживающей возможности газовой атмосферы.

Преимущества нитроцементации перед цементацией

1. Смещаются критические точки превращений к более низким температурам. Это позволяет снизить температуру процесса до 810-850оС. Такая температура, по сравнению с температурой цементации (910-1050оС) приводит к гораздо меньшим короблениям изделий;
2. Из-за относительно невысоких температур процесса, аустенитное зерно при нитроцементации может вырастать гораздо меньше, чем при науглероживании в процессе цементации;
3. Процесс нитроцементации в ряде случаев проходит гораздо быстрее, чем процесс цементации. При этом чаще всего, нет необходимости делать закалку с повторного нагрева, как при цементации.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Как правильно закалить нож в домашних ус... Ниобий — свойства, получение, оксиды, со... Шпоночный материал — ГОСТ, характеристик... Сталь 20х13 — характеристики, применение...