Цианирование стали

Есть очень много вариантов обработки стали, направленные на изменение ее параметров. Один из них — цианирование. Виды, технологии, принципы, характерности и использование этих работ рассмотрены дальше.

Смысл методики

Цианированием называют один из видов химико-термической обработки стали. Суть этого способа состоит в насыщении поверхностей металла азотом и углеродом в диапазоне температур от 530 до 950°С. По технологии это напоминает соединение азотирования и цементации.

Рассматриваемый метод применяется для сталей разных типов. Так, выполняют цианирование нержавейки, легированной, высокохромистой, с самым разнообразным содержанием углерода, без легирующих добавок, конструкционной, быстрорежущей.

Цель цианирования состоит в улучшении параметров металла. Так, эта технология обработки увеличивает твердость, предел выносливости, устойчивость к износу материала. Принцип цианирования построен на диффузии в структуру материала углерода и азота.

Этот процесс включает две стадии:

• В первую очередь происходит изобилие лицевого слоя углеродом и азотом. Это длится 1 — 3 ч.
• Дальше поглощённые в структуру материала атомы азота могут десорбироваться (выходить через поверхность, перейдя в газовую фазу). При этом изобилие углеродом длится и на втором шаге.

Ход рассматриваемого процесса устанавливается режимом температур. Так, в диффузионном верхнем слое при возрастании температуры уменьшается содержание азота, и возрастает кол-во углерода, причем постоянно либо до определенного момента. На последних стадиях операции концентрация азота начинает ужиматься. Благодаря этому возможна фиксация насыщения данным элементом лицевого слоя стали при самых разных температурах. Уменьшение содержания азота и увеличение концентрации углерода при возрастании температуры происходит линейно. Но это важно лишь для лицевого слоя материала, а в нижележащих эта закономерность не встречается.

Величина насыщения также существенно зависит от науглероживающих показателей среды, в которой выполняется цианирование металла.

Также, на характерности совместной диффузии действует кол-во азота, определяющее глубину распространения диффузии углерода и величину насыщения им слоя. Излишнее содержание азота повлечет малую скорость диффузии углерода. Это можно объяснить способствованием азота появлению карбонитридных образований на поверхности.

Глубина проникновения двоих компонентов в сталь устанавливается ее микроструктурой. Однако во всяком случае азот проникает на большую глубину, чем углерод.

Аналогичным образом, результат работ устанавливается определенными моментами. К ним можно отнести температура нагрева, концентрация азота и углерода, свойства среды и материала.

Поточный аппарат для цианирования

В результате на поверхности стали сформировывается двухслойное покрытие. Сверху размещен карбонитридный слой (Fe₂(C, N)) толщиной 10 — 15 мкм. Он отличается большой устойчивостью к износу и меньшей хрупкостью если сравнивать с чистыми нитридами и карбидами. Нижележащий слой предоставлен азотистым твёрдым ферритом (мартенситом). Общая толщина — 0,15 — 2 мм.

Цианирование отмечают на основе следующих свойств:

• режима температур;
• фазового состава среды.

На основе фазы среды цианирование отмечают на:

Принцип называемого также нитроцементацией газового цианирования состоит в нагреве при 530 — 570°С в течении 1,5 — 3 ч. предмета в содержащей азот и углерод смеси газа, включающей, к примеру, нашатырный спирт (NH₃) и окись углерода (CO). Химическое взаимное действие названных газов приводит к появлению атомарных азота и углерода. Они делают слой, толщина его устанавливается температурой и продолжительностью и может составлять от 0,02 до 0,004 мм. Его твердость равна 900 — 1200 HV.

Технология твёрдого цианирования близка к твёрдой цементации. Отличие состоит в составе карбюризатора: для рассматриваемых работ используют материал, который содержит цианистые соли. Твёрдое цианирование по продуктивности очень сильно уступает другим видам, по этому оно применяется нечасто. Дальше рассмотрены более детально жидкое и газовое цианирование.

Установка для цианирования

Жидкое цианирование является самым популярным способом. При этом используют расплавленные цианистые соли, представленные NaCl, NaCN, Na₂CO₃, BaCl₂, BaCO₂ в самых разнообразных концентрациях и комбинированиях.

Есть регламент, определяющий режим температур и длительность работ для различных составов смесей. Он же отображает толщину получаемого в результате слоя, которая составляет 0,15 — 1,6 мм. Взаимное действие цианистых солей натрия с содой и солью приводит к их разложению с выделением атомарных азота и углерода. Ключевым элементом цианистых солей считается CN. Увеличение его содержания приводит к увеличению концентрации азота и углерода в диффузионном слое, однако не проявляется на его толщине. Жидкое цианирование работает в качестве финишной обработки стали.

На основе режима температур цианирование разделяют на низко- и высокотемпературное. Металлобработка первого типа обеспечивает большее изобилие азотом, а высокотемпературное цианирование — наоборот углеродом.

Жидкую высокотемпературную обработку, называемую также жидкостной цементацией, выполняют путем выдерживания деталей в печах-ваннах при 840 — 950°С в течении 5 — 45 мин. Этот способ дает возможность добиться толщины диффузионного слоя до 0,075 — 0,1 мм. Этот показатель устанавливается температурой и долгим процессом. Во всяком случае наращивание слоя аналогичным способом быстрее, чем при газовом цианировании. Но этот способ очень вредоносен, так как расплавленные цианистые соли токсичны. По этому нужны особенные меры безопасности при осуществлении работ такого типа.

Ввиду этого жидкостной высокотемпературной технологии предпочитают газовое цианирование, не обращая внимания на меньшую скорость работ. Это возмещается невысокой ценой. Его выполняют при 830 — 950°С в муфельных печах в течении 1 — 2 ч. По окончании закалки и невысокого отпуска твердость отделанного этим вариантом материала увеличивается до 60 — 64 HRC (56 — 62 по другим сведеньям).

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

Перед низкотемпературным цианированием выполняют термообработку полного цикла при 500 — 600°С.

Процесс цианирования стали

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

Использование

Взяв во внимание результаты цианирования, а конкретно придаваемые им свойства, этот способ обработки применяют для подверженных большим нагрузкам во время эксплуатации стальных деталей. К ним относят, к примеру, шестерни и валы. Для этих предметов, а тем более их сердцевин, предъявлены довольно большие требования не только к прочности, но и к вязкости. Такие характеристики и придаёт цианирование.

Область использования этой технологии обработки устанавливается ее типом. Так, низкотемпературную нитроцементацию применяют для быстрорежущих сталей, цианирование — для среднеуглеродистых, быстрорежущих, высокохромистых сталей, а высокотемпературный способ — для шестерен и других деталей самых разных механизмов из обычных углеродистых, легированных, средне- и низкоуглеродистых сталей. Более того, жидкое высокотемпературное цианирование может использоваться с целью придания деталям красивого вида, так как, благодаря подобной отделке, на поверхности образуется матовая текстура. Причем для этого необходимо подогреть их в цианистой ванне без выдержки.

Положительные качества, минусы

При подборе способа обработки очень важно понимать толщину изделий, так как тонкие предметы, подвергнутые цианированию, могут иметь большую хрупкость, чем отделанные по технологии обыкновенной цементации детали. Это считается минусом рассматриваемой технологии. Более того, в результате подобной отделки изменяются свойства не всего материала, а лишь его слоя поверхности толщиной до 1,6 мм. Напоследок, в ходе цианирования нужен регулярный контроль степени науглероживания и азотирования среды работы.

Ключевой положительной спецификой рассматриваемой технологии обработки считается сравнительно низкий режим температур. Во-первых, это облегчает исполнение благодаря отсутствию надобности охлаждения изделия по окончании. Второе, увеличивает надежность оборудования, снижая его износ. Третье, не вызывает деформации обрабатываемых предметов. Более того в подвергнутом цианированию материале содержится последний аустенит, способствующий улучшению многих показателей стали, а конкретно увеличивается вязкость к ударам поверхностей, устойчивость к изнашиванию, крепость на изгиб, эластичность. Более того, цианирование увеличивает твердость (до 58 — 62 HRC) и контактную выносливость материала. Также подвергнутые газовому цианированию детали отличительны усовершенствованной прокаливаемостью благодаря повышению стойкости аустенитной структуры стали. Так, к примеру, низколегированную сталь после подобной отделки можно закаливать в масле.

Близкие методы

Близким методом считается мягкое азотирование. Его выполняют при температуре около 590°С. Такую обработку применяют для увеличения стойкости к износу и предела выносливости среднеуглеродистых сталей.

Также по технологии рассматриваемая обработка близка к цементации. Если сравнивать с ней цианирование прекрасно выделяется тем, что образуемый слой обладает лучшей устойчивостью к износу и коррозионной стойкостью, большей твердостью, а еще усталостной прочностью. Более того, благодаря меньшим режиму температур и длительности процесса, не происходит рост зерен. Ввиду этого сразу по окончании цианирования выполняют закалку, что придаёт поверхности большую твердость. Напоследок, высокотемпературный процесс цианирования стали занимает меньше времени, чем цементация.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.