Цианирование это технологический процесс насыщения поверхности стальных деталей

Обновлено: 01.05.2024

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

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.

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.

Поточный агрегат для цианирования

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.

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.

Ввиду этого жидкостной высокотемпературной технологии предпочитают газовое цианирование, несмотря на меньшую скорость работ. Это компенсируется меньшей стоимостью. Его осуществляют при 830 — 950°С в муфельных печах на протяжении 1 — 2 ч. По завершении закалки и низкого отпуска твердость обработанного данным способом материала возрастает до 60 — 64 HRC (56 — 62 по другим данным).

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.

Основной положительной особенностью рассматриваемой технологии обработки является относительно невысокий температурный режим. Во-первых, это упрощает осуществление благодаря отсутствию необходимости охлаждения изделия по завершении. Во-вторых, повышает надежность оборудования, снижая его износ. 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.

Химико-термическая обработка стали

Существуют различные способы воздействия на сталь с целью придания ей требуемых свойств. Один из комбинированных методов — химико-термическая обработка стали.

Общие принципы

Суть данной технологии состоит в преобразовании внешнего слоя материала насыщением. Химико-термическая обработка металлов и сплавов осуществляется путем выдерживания при нагреве обрабатываемых материалов в средах конкретного состава различного фазового состояния. То есть, это совмещение пластической деформации и температурного воздействия.

Это ведет к изменению параметров стали, в чем состоит цель химико-термической обработки. Таким образом, назначение данной технологии — улучшение твердости, износостойкости, коррозионной устойчивости. В сравнении с прочими технологиями химико-термическая обработка выгодно отличается тем, что при значительном росте прочности пластичность снижается не так сильно.
Основные ее параметры — температура и длительность выдержки.

Рассматриваемый процесс включает три этапа:

диссоциацию;
адсорбцию;
диффузию.

Интенсивность диффузии увеличивается в случае формирования растворов внедрения и снижается, если вместо них формируются растворы замещения.

Количество насыщающего элемента определяется притоком его атомов и скоростью диффузии.

На размер диффузионного слоя влияют температура и длительность выдержки. Данные параметры связаны прямой зависимостью. То есть с ростом концентрации насыщающего элемента возрастает толщина слоя, а повышение интенсивности теплового воздействия приводит к ускорению диффузии, следовательно, за тот же промежуток времени она распространится на большую глубину.

Большое значение для протекания процесса диффузии имеет растворимость в материале обрабатываемой детали насыщающего элемента. В данном случае играют роль пограничные слои. Это объясняется тем, что ввиду наличия у границ зерен множества кристаллических дефектов диффузия происходит более интенсивно. Особенно это проявляется в случае малой растворимости насыщающего элемента в материале. При хорошей растворимости это менее заметно. Кроме того, диффузия ускоряется при фазовых превращениях.

Классификация

Химико-термическая обработка стали подразделяется на основе фазового состояния среды насыщения на жидкую, твердую, газовую.

В первом случае диффузия происходит на фрагментах контакта поверхности предмета со средой. Ввиду низкой эффективности данный способ мало распространен. Твердую фазу обычно используют с целью создания жидких или газовых сред.

Химико-термическая операция в жидкости предполагает помещение предмета в расплав соли либо металла.

При газовом методе элемент насыщения формируют реакции диссоциации, диспропорционирования, обмена, восстановления. Наиболее часто в промышленности для создания газовой и активной газовой сред используют нагрев твердых. Удобнее всего проводить работы в чисто газовой среде ввиду быстрого прогрева, легкого регулирования состава, отсутствия необходимости повторного нагрева, возможности автоматизации и механизации.

Как видно, классификация по фазе среды не всегда отражает сущность процесса, поэтому была создана классификация на основе фазы источника насыщения. В соответствии с ней химико-термическая обработка стали подразделена на насыщение из твердой, паровой, жидкой, газовой сред.

Кроме того, химико-термическая технология подразделена по типу изменения состава стали на насыщение неметаллами, металлами, удаление элементов.

По температурному режиму ее классифицируют на высоко- и низкотемпературную. Во втором случае производят нагрев до аустенитного состояния, а в первом — выше и оканчивают отпуском.

Наконец, химико-термическая обработка деталей включает следующие методы, выделяемые на основе технологии выполнения: цементацию, азотирование, металлизацию, нитроцементацию.

Диффузионная металлизация

Это поверхностное насыщение стали металлами.

Возможно проведение в жидкой, твердой, газовой средах. Твердый метод предполагает использование порошков из ферросплавов. Жидкой средой служит расплав металла (алюминий, цинк и т. д.). Газовый метод предполагает использование хлористых металлических соединений.

Металлизация дает тонкий слой. Это объясняется малой интенсивностью диффузии металлов в сравнении с азотом и углеродом, так как вместо растворов внедрения они формируют растворы замещения.

Такая химико-термическая операция производится при 900 — 1200°С. Это дорогостоящий и длительный процесс.

Основное положительное качество — жаростойкость продуктов. Ввиду этого металлизацию применяют для производства предметов для эксплуатационных температур 1000 — 1200°С из углеродистых сталей.

По насыщающим элементам металлизацию подразделяют на алитирование (алюминием), хромирование, борирование, сицилирование (кремнием).

Первая химико-термическая технология придает материалу стойкость к окалине коррозии, однако на поверхности после нее остается алюминий. Алитирование возможно в порошковых смесях либо в расплаве при меньшей температуре. Второй способ быстрее, дешевле и проще.

Хромирование тоже увеличивает стойкость к коррозии и окалине, а также к воздействию кислот и т. д. У высоко- и среднеуглеродистых сталей оно также улучшает износостойкость и твердость. Данная химико-термическая операция в основном производится в порошковых смесях, иногда в вакууме.

Основное назначение борирования состоит в улучшении стойкости к абразивному износу. Распространена электролизная технология с применением расплавов боросодержащих солей. Существует и безэлектролизный метод, предполагающий использование хлористых солей с ферробором или карбидом бора.

Сицилирование увеличивает стойкость к коррозии в соленой воде и кислотах, к износу и окалине некоторых металлов.

Науглероживание (цементация)

Это насыщение поверхности стальных предметов углеродом. Данная операция улучшает твердость, износостойкость, а также выносливость поверхности материала. Нижележащие слои остаются вязкими.

Данная химико-термическая технология подходит для предметов из низкоуглеродистых сталей (0,25%), подверженных контактному износу и переменным нагрузкам.

Предварительно необходима механическая обработка. Не цементируемые участки покрывают слоем меди либо обмазками.

Температурный режим определяется содержанием углерода в стали. Чем оно ниже, тем больше температура. Для адсорбирования углерода и диффузии в любом случае она должна составлять 900 — 950°С и выше.

Таким образом, путем насыщения поверхности стальных деталей углеродом достигают концентрации данного элемента в верхнем слое 0,8 — 1%. Большие значения ведут к повышению хрупкости.

Цементацию осуществляют в среде, называемой карбюризатором. На основе ее фазы технологию подразделяют на газовую, вакуумную, пастами, в твердой среде, ионную.

При первом способе применяют каменноугольный полукокс, древесный уголь, торфяной кокс. С целью ускорения используют активизаторы и повышают температуру. По завершении материал нормализуют. Ввиду длительности и малой производительности данная химико-термическая технология используется в мелкосерийном выпуске.

Вторая технология предполагает использование суспензий, обмазок либо шликеров.

Газовую среду наиболее часто применяют при цементации ввиду скорости, простоты, возможности автоматизации, механизации и достижения конкретной концентрации углерода. В таком случае используют метан, бензол или керосин.

Более совершенный способ — вакуумная цементация. Это двухступенчатый процесс при пониженном давлении. От прочих методов отличается скоростью, равномерностью и светлой поверхностью слоя, отсутствием внутреннего окисления, лучшими условиями производства, мобильностью оборудования.

Ионный метод подразумевает катодное распыление.

Цементация — промежуточная химико-термическая операция. Далее осуществляют закалку и отпуск, определяющие свойства материала, такие как износостойкость, выносливость при контакте и изгибе, твердость. Главный недостаток — длительность.

Азотирование

Данным термином называют насыщение материала азотом. Этот процесс производят в аммиаке при 480 — 650°С.

С легирующими данный элемент формирует нитриды, характеризующиеся дисперсностью, температурной устойчивостью и твердостью.

Такая технология химико-термической обработки увеличивает твердость, стойкость к коррозии и износу.

Необходима предварительная механическая и термическая обработка для придания окончательных размеров. Не азотируемые фрагменты покрывают оловом либо жидким стеклом.

Обычно используют температурный интервал от 500 до 520°С. Это дает за 24 — 90 ч. 0,5 мм слой. Толщина определяется длительностью, составом материала, температурой.

Азотирование приводит к увеличению обрабатываемых деталей вследствие возрастания объема верхнего слоя. Величина роста напрямую определяется его толщиной и температурным режимом.

При жидком способе применяют цианосодержащие, реже бесцианитные и нейтральные соли. Ионная химико-термическая операция отличается повышенной скоростью.

Азотирование подразделяют по целевым свойствам: им достигается или улучшение устойчивости к коррозии, либо повышение стойкости к износу и твердости.

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Сульфидирование, сульфоцианирование

Это новая химико-термическая технология, направленная на улучшение износостойкости.

Первый метод состоит в насыщении материала серой и азотом путем нагрева в серноазотистых слоях.

Сульфоцианирование подразумевает насыщение углеродом, помимо названных элементов.

Сущность цианирования и нитроцементации металлов

Цианирование стали и нитроцементация – процессы получения укрепленного верхнего слоя стали. Подробно о назначении и сущности процесса. Технология нитроцементации и ее преимущества.

Цианирование стали – один из способов улучшения физико-химических свойств металла. Применение метода необходимо, когда нужно повысить прочность, твердость, сопротивляемость коррозии, износоустойчивость поверхностного слоя стали, сделать ее более стойкой к естественному старению.

Нитроцементация укрепляет сталь путем воздействия на нее углерода и азота, точнее, введения этих молекул в кристаллическую решетку поверхностного слоя. Весь этот процесс происходит под воздействием высоких температур в среде цианистых солей натрия, окисление которого приводит к выделению углерода и азота.

Насколько глубоко проникнут цементирующие вещества в структуру металла и какая степень концентрации образуется, зависит от выбранной температуры проведения операции и временного интервала воздействия. Нитроцементация и цианирование стали – операции, преследующие одну цель, но проходящие в разных средах.

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:

В рабочую ванну с расплавленной солью цианистой состава 15% Na₂CO₃, 60% NaCl и 25% NaCN помещают деталь.
Далее рабочую среду нагревают до температуры от 930 до 530 градусов по Цельсию (в зависимости от выбранного режима обработки).
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:

Начальный период нитроцементации длительностью от одного до трех часов, характеризующийся внедрением в кристаллическую решетку металла атомов азота, углерода.
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.

Свойства и применение цианированных сталей

Стали, которые прошли обработку методом цианирования, резко отличаются от обычных увеличением параметра усталостной прочности, предела выносливости. Область применения таких сталей разнообразна:

конструкции строительные сварного типа;
переплеты фонарные, а также оконные в зданиях промышленного назначения;
различные мелкие метизы: шайбы, собачки, заклепки, звездочки, муфты – все то, что эксплуатируется при температуре до –40 градусов по Цельсию;
шестерни, валы в механизмах, где присутствует трение.

Технология, цель и виды нитроцементации

Нитроцементация – это насыщение изделия из стали углеродом и азотом, которое протекает в среде из газа цементирующего с добавлением аммиака диссоциированного. Меняя состав газа и температуру, при которой происходит процесс нитроцементации, можно влиять на процентное содержание углерода и азота в получаемом слое. Толщину слоя также можно контролировать за счет выбора температуры и времени выдержки. Процесс нитроцементации представляет собой диффузию.

Бывает нитроцементация стали высокотемпературная и низкотемпературная. Первый метод нитроцементации применяют в условиях температуры от 830 до 950 градусов по Цельсию. В этом случае используют аммиак в повышенных дозах. После операции над изделием проводят мероприятия по закалке с отпуском низким. Твердость, которая достигается в результате, соответствует 62–56 HRC. Стали, в основном подвергаемые нитроцементации, – это углеродистые (из них изготавливают детали машиностроения) и низколегированные металлы.

Метод нитроцементации низкотемпературный подразумевает применение термической среды в пределах 530–570 градусов продолжительностью не более 3 и не менее 1.5 часов, предварительно выполняют закалку и отпуск деталей. Полученный твердый слой имеет толщину от 0.004 до 0.02 миллиметра с крепостью 1200–900 HV.

Нитроцементация является безопасным процессом с низкой себестоимостью операции, поэтому ее часто используют в автомобилестроении.

Преимущества нитроцементации перед цементацией

Процесс нитроцементации – самый безопасный и передовой метод укрепления стали углеродом и азотом. По сравнению с обычным цементированием он имеет ряд преимуществ:

быстрее происходит поверхностная диффузия;
нет необходимости в подготовке;
металл при нитроцементации не подвергается сильному перегреву, и, как следствие, не происходит изменение кристаллической решетки;
заготовки менее подвержены деформации;
после прохождения обработки последующее закаливание и отпуск проходят более качественно;
нитроцементация – самый дешевый способ укрепления стали, поэтому ее повсеместно используют в машиностроении.

Всем, кто имеет представление, практические навыки или профессионально занимается нитроцементацией стальных изделий, просьба поддержать в комментариях тему, так как больше достоверной информации необходимо для понимания процесса.

Улучшение эксплуатационных характеристик стали цианированием

Специальная обработка металла позволяет упрочнить поверхность, а также придать ей нужные эксплуатационные характеристики. Общее название процедуры — операция улучшения поверхностных слоев, что сразу объясняет суть обработки. Цианирование в отдельных случаях является единственным оправданным способом улучшения свойств металла. Среди химико-термических методов обработки именно данный способ самый распространенный благодаря своей простоте и невысокой стоимости. Всего за несколько часов характеристики изделия существенно улучшаются при соблюдении всех требований к выполнению операции.

Что такое цианирование

Процедурой цианирования называют насыщение поверхности разных металлических сплавов одновременно углеродом и азотом. В зависимости от использования основных материалов процессы могут называться совершенно по-разному. Если поверхность обрабатывается под воздействием газов, то такая процедура называется нитроцементацией. Цианирование предполагает обработку металла с использованием расплавленных солей. Чаще всего для этих целей используют цианистый натрий либо кальций. В больших электрованнах смесь расплавляется и ее температура поддерживается на протяжение всей процедуры.

Польза

повышения износостойкости поверхности детали;
увеличения твердости;
повышения уровня выносливости металла, при возникновении различных повреждений деталь сохранит свой функционал.

На цианированных поверхностях отмечается меньшее налипание материала, из-за чего снижается коэффициент трения при попадании стружки в механизмы. В среднем стойкость цианированных инструментов увеличивается в 1,5-2 раза. Целей проведения цианирования может быть очень много, а благодаря тщательно выверенному технологическому процессу большинство из них можно достаточно легко достигнуть.

Особенности процедуры

Цианирование выполняется на сталях различных марок, в том числе и на нержавейке. В зависимости от температурного режима, который соблюдался во время самой процедуры, улучшаются прочностные и эксплуатационные характеристики деталей. В зависимости от целей могут подбираться способы цианирования, а также состав смесей. Неправильный подбор технологии может стать причиной изменений отдельных характеристик в худшую сторону.

Диффузия веществ в поверхностные слои

В процессе цианирования происходит насыщение стали азотом и углеродом, за счет диффузии веществ в структуру металла. Поверхностный диффузионный слой предполагает изменение в своём составе показателей азота и углерода. Если при нагревании показатели азота существенно снижаются, то углерода — повышаются. Количество углерода в слое может повышаться непрерывно либо до нужного момента. Количество углерода также может снижаться на последних этапах обработки металла.

Благодаря таким особенностям степень насыщения поверхностного слоя может фиксироваться при различных температурных режимах цианирования. Также на степень насыщения существенное влияние оказывают особенности среды, где происходит обработка металлического сплава.

глубину металлического слоя, на которой будут происходить диффузионные процессы;
степень насыщенности слоя углеродом.

Очень важно подобрать соотношение всех составляющих в смеси для цианирования, так как при повышенном содержании азота диффузия будет происходить малоактивно, что приведет к образованию на поверхности металла различных образований. Правильно смешанный состав позволит достичь нужного результата при минимальных потерях.

Насыщение металлического сплава азотом и углеродом происходит в две стадии, которые сильно отличаются друг от друга. На первой стадии поверхностный слой насыщается одновременно двумя элементами, длительность этапа составляет от 1 до 3 часов. На втором этапе атомы азота могут переходить обратно в форму газа и выходить наружу. В данное время поверхностный слой продолжает насыщаться углеродом.

Особенностью цианирование стали выступает то, что углерод в процессе обработки проникает на меньшую глубину, в отличие от азота. Глубина проникновения веществ зависит только от структуры обрабатываемого материала. Стоит учесть, что изделия с небольшой толщиной могут иметь более высокие показатели хрупкости в отличие от деталей со стандартной толщиной.

Как происходит цианирование

Самый популярный вариант цианирования — низкотемпературная обработка. Метод применим для деталей и инструментов из быстрорежущих сталей. Сама процедура выполняется при температуре всего в 550-570 градусов по Цельсию в соляных ваннах.

Варианты цианистых ванн:

50% цианистого калия и 50% цианистого натрия. Средняя температура плавления смеси около 490°С.
96—98% цианистого натрия и 4—2% соды. Смесь плавится при температуре 550°С.
60% цианистого натрия и 40% соды. Температура плавления состава около 440°С.

Первые две смеси достаточно густые. Последняя смесь, в состав которой входит натрий и сода, отличается более жидкой формой и отсутствием прилипания солей к металлической поверхности. Благодаря этим факторам последняя смесь используется гораздо чаще, чем остальные две.

Цианирование стали может проводиться исключительно после термической обработки металла и конечной его заточки. В процессе обработки стали детали погружаются в ёмкость с солями в жидком состоянии. Для этого чаще всего используются специальные крючки либо проволока, размер которых зависит от объема и веса детали. Время выдержки стальной детали составляет от 5 до 30 минут. После поднятия стальной детали из ёмкости на металле образовывается цианированный слой, толщина которого составляет 0,02-0,07 мм. Верхняя часть слоя имеет достаточно небольшую толщину, поэтому он очень быстро стирается в процессе эксплуатации. Внутренняя часть имеет большие прочностные характеристики, а также повышенную износостойкость.

Эффективность

резьбовых и червячных фрез;
фасонных резцов и метчиков;
долбяков.

В процессе точки выполняется переточка исключительно по передней поверхности. Высокая эффективность обработки поверхности отмечается у сверл и зенкеров благодаря сохранению цианированного слоя на передних поверхностях и дополнительных режущих лезвий. Так как при переточке шлицевых фрез и отрезных резцов полностью удаляется слой, то после точки необходимо подвергать изделия повторной обработке.

Также стоит учесть, что цианирование способно увеличить хрупкость зубчиков детали. Так как материал изнашивается не только по задней стенке, то в будущем слой может выполнять роль абразива, что приведет к преждевременному изменению стойкости детали. Прежде, чем выполнять цианирование необходимо тщательно продумать где будет располагаться деталь.

Преимущества и недостатки обработки

Положительная сторона цианирования — весь процесс происходит при относительно невысоких температурах. Это позволяет не изнашивать используемое оборудование и предотвращать возникновение деформаций в обрабатываемых деталях.

пластичность;
ударная вязкость;
прочность на изгиб.

Именно благодаря этим характеристикам цианированию могут подвергаться детали, которые в дальнейшем будут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок.

Один из главных недостатков цианирования — после сложной обработки защитный слой может составлять всего 0,7-0,8 миллиметров. Так как в процессе работы используется азотированная и науглероживанная атмосфера, что очень важно контролировать количество этих материалов в воздухе, а также при необходимости проветривать помещение.

Сульфоцианирование

Данная обработка в большей степени напоминает процесс цианирования. Поверхность насыщается не только углеродом и азотом, но также и серой. Сульфоцианированные детали в большей степени обладают такими же характеристиками как и цианированные. Лучше всего сульфоцианированные детали показали себя в механизмах на средних нагрузках. Благодаря немного другой схеме цианирования предупреждается схватывание и наволакивание металла.

Нормальная температура плавления смеси составляет 560-580 градусов. Обработку стальных сплавов проводят преимущественно в жидких средах, но также возможно и в газовых. Так как сульфоцианированные детали обладают чуть большей прочностью, то их использование оправданно в качестве поршневых колец, чугунных втулок, разнообразных запчастей насоса.

Какая температура цианирования лучше

Важно учитывать многие факторы, которые будут влиять на эксплуатацию прибора. При низкотемпературном цианировании металл нагревается на минимальных показателях. Горячее цианирование предлагает использование ванн со средней температурой около 850 градусов.

В среднем цианирование занимает до 6 часов, поэтому первый результат видно достаточно быстро. На низких температурах происходит меньше деформации, поэтому изделия сохраняют свою геометрию и функциональность. В отдельных случаях бывает недостаточно низких температур, поэтому рекомендуется использование цианированных деталей горячим способом.

Цианирование — важная технологическая операция для улучшения эксплуатационных характеристик изделий из различных марок стали. Цианирование экономически оправданная процедура, которая актуальна для обработки материалов в промышленности.

Улучшаем свойства стали нитроцементацией

Металлические изделия обрабатывают различными способами для улучшения их свойств. Чтобы защитить сталь от коррозии, применяют цинкование или хромирование. Для увеличения твердости стали, а также повышения предела выносливости, износостойкости существует нитроцементация.

Что такое нитроцементация?

Одновременное насыщение стальных поверхностей углеродом с азотом называют цианированием или нитроцементацией. При разложении цианистых солей образуются свободные атомы азота, углерода, которые проникают вглубь металла. Насыщение стали углеродом благодаря азоту происходит при более низких температурах. Фактически для стали он снижает критические точки. Вследствие такого понижения температуры насыщения уменьшается деформация обрабатываемых частей.

Основными факторами, определяющими концентрацию и глубину цианированного слоя, являются время выдержки и температура нагрева. Чем выше температура, тем меньше будет насыщение азотом, а больше углеродом. Увеличивая время выдержки детали в печи, получают более глубокий обработанный слой.

Процесс насыщения может проходить в газовой, твердой или жидкой среде.

Виды нитроцементации

Жидкостная

Жидкостная нитроцементация или цианирование проходит в цианистых ваннах. Широкое применение для проведения цианирования получили смеси натриевых солей: цианистый натрий с долей до 25%, углекислый натрий — до 50% и хлористый натрий — до 50%.

Цианирование проходит при высоких температурах. При этом в ванне проходят реакции с образованием атомарных азота и углерода, которые проникают в поверхность стали. Полученный слой обладает значительной твердостью, а также высоким сопротивлением к износу.

Даже тонкого слоя в 0,5 мм достаточно для увеличения износостойкости небольших деталей, которые работают при незначительных удельных нагрузках.

В газовой среде

Нитроцементация в газовой среде проходит в смеси аммиака и науглероживающих газов. Газовая среда при нитроцементации состоит из метана и окиси углерода. Процесс может проходить при низких температурах, тогда доля аммиака должна составлять 20-30%. Если нитроцементация происходит при высоких температурах, то аммиака должно быть 3-7%. Цианирование происходит в печах, куда раздельно подаются аммиак и газовая смесь. В газовой среде можно получать довольно толстые упрочненные слои глубиной до 2 мм.

Низкотемпературная

Низкотемпературная нитроцементация проходит в температурном режиме 550-600 °С в течение двух-трех часов. При этом значительного накопления углерода в стали не происходит, основные свойства металл получает от поглощения азота. В результате обработки на поверхности стали возникает карбонитридный слой повышенной износостойкости. Твердость этого слоя на легированных сталях может достигать 11000 HV. Нитроцементация при низких температурах может рассматриваться как аналог азотированию в смеси цианистых солей.

После нитроцементации проводят закалку деталей после повторного нагревания либо непосредственно из печи. Подстуживание происходит до 800-825 °С. Не очень часто, но применяют и ступенчатую закалку. После закалки необходимо провести отпуск при температуре 160-180 °С.

Покрытие пастой

жидкое стекло 53%;
карбюризатор 21%;
желтая кровяная соль 17%;
карборунд 4%;
углекислый натр 4%;
цемент 1%.

Чтобы провести нитроцементацию, деталь в оболочке нужно нагреть до 1200 °С. Через две минуты глубина обработанного слоя достигнет 2 мм. Этот способ малоэффективен, но все же его используют при производстве дисков, зубчатых колес, кулачков, муфт и других деталей из конструкционной стали.

Как подготовить деталь

Поверхности детали перед нитроцементацией необходимо очистить и обезжирить. Для этого их достаточно промыть 15 минут в растворе едкого натра, нагретого до 90 °С, либо можно протереть бензином. Затем детали вытирают насухо и укладывают в корзины на расстоянии, достаточном для свободного проникновения газа.

Что можно насыщать углеродом?

Нитроцементацию целесообразно проводить с нержавеющей сталью, сплавами, содержащими легирующие добавки, конструкционными сталями с пониженным содержанием углерода.

Этапы нитроцементации

углеродно-азотное насыщение поверхностного слоя металла полтора-два часа;
последующее углеродное насыщение верхних слоев стали с десорбцией части атомов азота.

Атомы азота насыщают обрабатываемую деталь глубже углерода.

После завершения процесса металлическое изделие обладает необходимыми свойствами: прочностью на изгиб, пониженной чувствительностью к напряжениям, пластичностью. Кроме того, нитроцементованные поверхности получают коррозийную стойкость и высокую твердость.

Для деталей, которые прошли нитроцементацию, обязателен контроль: обычный осмотр с выявлением видимых следов окисления, закоксовывания, бурого налета, также физических дефектов (сколов, забоин и пр.); выборочный контроль полученной твердости при помощи приборов Супер-Роквелла или Виккерса; выборочный контроль хрупкости обработанного слоя при помощи прибора Роквелла. Обычно проверяют образцы, изготовленные из того же материала, что и обрабатываемые детали. Эти образцы должны вместе с деталями проходить термическую обработку и нитроцементацию.

Нужно провести и контроль состава отходящих из печи газов (провести химический анализ); проверить расход газа реометрами; проверить расход карбюризаторов и триэтаноламина.

Основные дефекты при нитроцементации

В процессе нитроцементации могут возникать дефекты обрабатываемых деталей.

Отслаивание

Это явление возникает при насыщении поверхности детали углеродом и связано со слишком низкими температурами или быстрым нагревом. В первом случае содержание углерода по направлению к центру выравнивается слишком медленно. При быстром нагреве содержание углерода резко снижается по мере удаления от поверхности детали. Такие резкие изменения провоцируют отделение цементованного слоя от изделия в виде отслаивания оболочки.

Грубозернистый излом

Грубозернистость обрабатываемого слоя может быть обусловлена несколькими факторами: перегревом, передержкой при закаливании, переизбытком углерода в цементованном слое из-за высокой или изменяющейся температуры при обработке. Эти дефекты можно устранить повторной закалкой. Грубозернистость сердцевины может возникнуть из-за слишком низкой температурой закалки. А если речь идет о низколегированных или углеродистых сталях, то этот дефект может объясняться слишком большими размерами деталей, что не позволяет достаточно прокалить сердцевину.

Мягкая поверхность

Этот дефект поверхности обработанных изделий обуславливается рядом нарушений процесса нитроцементации (возникновение пустот при набивке деталей, возникновение корки графита на поверхности детали). Такой изъян может вызывать и дефект закалки, связанный с низкой скоростью охлаждения или с образованием паровой рубашки. При азотировании мягкие пятна связаны с обработкой необезжиренных деталей.

Малая толщина насыщенной пленки

Такой дефект возникает при низкой температуре азотирования. Изъян крайне опасен, так как выявить обычными методами контроля его невозможно. Но устранить проблему можно повторной процедурой с соблюдением температурного режима.

Повышенная хрупкость

Связана с азотированием обезуглероженной поверхности. Последняя образуется на детали при термической или горячей обработке давлением. Этот слой необходимо механически удалить.

Твердость азотируемой поверхности немного ниже твердости слоя, лежащего непосредственно под поверхностью. При такой обработке высоконагруженных частей необходимо отшлифовать верхний слой, тем самым удаляя его.

Сферы применения

Нитроцементацию нужно проводить для деталей, которые при работе механизма испытывают предельные нагрузки. К ним относятся шестеренки, зубчатки, валы и прочие составляющие механизмов.

Низкотемпературную нитроцементацию проводят с поверхностями порошкового инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей. Так обрабатывают трущиеся детали, которые не испытывают значительных нагрузок (зубчатые колеса, втулки, штоки клапанов двигателей автомобилей).

Высокотемпературная нитроцементация чаще применяется при насыщении порошковых деталей, изготовленных из легированных и конструкционных углеродистых сталей.

Нередко только часть детали подвергают нитроцементации. Участки, которые не нужно обрабатывать, в этом случае защищают специальной пастой.

Преимущества нитроцементации

Нитроцементация предпочтительнее газовой цементации, так как:

обработка происходит при более низких температурах;
изделие меньше деформируется и коробится;
процесс проходит быстрее;
сопротивление коррозии и износу будет выше.

Недостатки нитроцементации

Главным недостатком при цианировании является высокая токсичность применяемых расплавов. Также существует необходимость постоянного контроля степени науглероживания и азотирования в рабочей среде. Улучшенными в процессе обработки характеристиками обладает очень тонкий поверхностный слой – максимум 2 мм.

Резюме

Нитроцементация улучшает качество металла. Её можно проводить различными методами: путем нанесения пасты, в цианистых ваннах и в газовой среде. Но какой бы способ ни был выбран, необходимо соблюдать технологию и температурный режим.

Читайте также: