Нитроцементация стали

Стальные изделия, которые используются в узлах трения, к примеру, в шестернях редукторов, просят очень высокой прочности для продления рабочего срока и надежности работы узлов. Очень прочная легированная сталь имеет большую цену и тяжело отделывается. К тому же, для многих узлов не необходима большая прочность всего объема детали, а исключительно слоя поверхности, конкретно воспринимающего нагрузку. Для этой цели разработаны методы упрочнения слоя поверхности, одним из них считается нитроцементация.

Среди химико-физических методов можно выделить такие:

• цементация;
• азотирование;
• цианирование;
• нитроцементация.

Два последних пункта предполагают изобилие атомами азота и углерода тонкого слоя находящегося с внешней стороны металла, но отличаются технологией использования. Нитроцементация стали изготавливается в газовой обстановке, а цианирование проводится в жидком расплаве солей. Рассмотрим метод нитроцементации детальнее.

Технология нитроцементации

Сущность и назначение нитроцеменетации стали состоит в особой методике процесса обработки тонкого слоя находящегося с внешней стороны металла, который выполняется так. Заготовку для нитроцементации металла помещают в среду из смеси газов, в которую входит нашатырный спирт и углеродосодержащий газ. Дальше металл греют и могут выдержать в смеси газа какое то время. При этом происходит диффузия атомов углерода и азота в металл. Изменяются его физико-механические свойства. Заодно появляются твёрдые растворы соединений углерода, азота и железа.

Температурное воздействие и продолжительности на глубину нитроцементации

Присутствие азота в атмосфере приводит к следующим свойствам нитроцеменетации, в отличии от цементации:

• Дополнительное изобилие поверхности азотом;
• Уменьшение температуры нагрева для возможности выполнения процесса;
• Ускорение процесса диффузии углерода.

Изменяя параметры процесса, другими словами состав смеси газа, температуру, время обработки, можно менять глубину влияния. Исследования показали, что с увеличением температуры возрастает скорость диффузии углерода и азота в глубину металла. Глубина проникновения атомов газа в металл изменяется временем выдержки нагретого изделия в рабочей обстановке.

По существу, нитроцементация и цианирование – это виды нитроцементации, которые отличаются технологией. Детали, поверхность которых упрочнена при помощи цианирования или нитроцементации, будут иметь одинаковые технические свойства. При цианировании обрабатываемые детали помещают в расплав цианистых солей натрия или кальция. Температура обработки остается приблизительно аналогичная, как и при газовой отделке. При цианировании можно запросто получить легированный слой металла до 2-х мм, однако при этом необходимо не забывать, что при увеличении толщины слоя в структуре появляются темные области, отлично заметные под микроскопом, которые указывают на излишек азота на границах кристаллов. Данные области уменьшают механическую крепость, делая больше хрупкость металла.

Использование нитроцементации или цианирования может быть только для легированных сталей, в которых углерод содержится в количестве не больше 0.25%.

Для выполнения процесса диффузии азота и углерода из среды газа нужен нагрев металла до температуры 700 – 950 °С. Очень часто работа проводится при температуре нитроцементации 850 – 870 °С. Данные температурные значения лишь чуть-чуть превышают температуру закалки и по этому дают возможность облегчить процесс закалки деталей, уменьшают вероятность деформации и уменьшают общее время цикла производства. Сделать меньше развитие деформации может также ступенчатая закалка в горячем масле. Все сказанное говорит про то, что этот вид обработки наиболее используем к деталям геометрической сложной формы, у которых довольно большие требования к форме поверхности и совсем непозволительно образование закалочных трещин.

Главная область использования нитроцементации стали – автомобилестроение и промышленность автомобилестроения. Более 90% деталей автомобиля – шестерен редукторов, валов, упрочняются с помощью нитроцианирования. Этот процесс упрочнения стали считается главным в технологии производства зубчатых колес самого разного назначения, а еще отдельных категорий инструмента из быстрорежущей стали.

Низкотемпературная нитроцементация

В определенных сферах применения нет надобности в большой толщине отделанного упрочненного слоя находящегося с внешней стороны. Изменив состав исходной смеси газа, выполняют нитроцементацию металла при более щадящих температурах, чем при обычном процессе. Применяя смесь нашатырного спирта с метаном или эндогазом в одинаковых пропорциях (по 50%) при относительно малой температуре 570°С в течении времени от получаса до 3-х часов получают тонкий верхний слой карбонитрида Fe₃(N,C). Такой слой имеет очень высокую твердость и устойчивость к изнашиванию.

Нитроцементация с невысокой температурой делается в качестве финальной операции уже после термообработки — закалки и отпуска. Высокая твердость поверхности определяет область использования технологии для продления рабочего срока быстрорежущего инструмента.

Изменения структуры в металле

При внедрении атомов азота и углерода в поверхностном слое металла происходят определенные изменения. При нитроцианировании меняется соотношение остаточного количества аустенитов и мелкокристаллических мартенситов в поверхностном слое, добавляется немного твёрдого раствора карбонитридов, что оказывает влияние на механичные свойства – твердость и устойчивость к износу.

Такая характерность структуры нитроцементированного слоя, как увеличение количества аустенитов, делает лучше прирабатываемость стали, что важно во время работы зубчатых передач, потому как уменьшается громкость работы механизмов.

В то же время несколько увеличивается хрупкость и уменьшается усталостная и контактная крепость. Тем более это качество вырисовывается в легированной стали с содержанием никеля более 1.2 %. Аналогичным образом, не все марки стали допускается обрабатывать по этой методике. Уменьшение размеров зерен структуры достигается путем добавочной закалки и отпуска конкретно после процесса нитроцементации. Отделаная аналогичным образом сталь имеет небольшой размер зерен, чем цементированная, что увеличивает ее крепость на изгиб при одновременном снижении толщины отделанного слоя.

По завершении процесса обработки содержание азота в слое доходит до 0.4%, а углерода до 0.9%.

Нитроцементация значительно изменяет характеристики тонкого наружного металлического слоя, его твердость и устойчивость к износу. После добавочной термообработки – закалки, твердость слоя поверхности по шкале Роквелла составляет 58-64 HRC или 500 – 1000 HV по способу Виккерса. Используя низкотемпературную цементацию, можно получить тонкий верхний слой с твердостью 5000 – 11000 HV.

Плюсы и минусы нитроцементации

Среди плюсов нитроцементации можно подчеркнуть высокую технологичность процесса, простоту и удобство регулировки показателей. Выбирая режим температур, состав смеси газа и, а именно, время обработки, легко можно настраивать толщину насыщаемого слоя в зависимости от предъявляемых требований. Невысокая температура обработки уменьшает риск деформации изделия и облегчает последующую закалку, потому как нужно только небольшое время для уменьшения температуры заготовки. Аналогичным образом уменьшается время технологического цикла производства продукции. Отделанные изделия имеют большое качество поверхности и отличные физико-механические свойства. У низколегированных сталей после обработки встречается увеличение устойчивости к коррозии.

Микроструктура нитроцементованных слоев

Среди большинства хороших свойств нельзя забыть, что аналогичная методика металлобработки имеет и минусы. Очень большой недостаток такой разновидности нитроцементации, как цианирование – высокая ядовитость элементов производства. Для насыщения азотом и углеродом применяются цианистые соли натрия и кальция, которые считаются очень ядовитыми веществами.

Менее серьёзный недостаток, который во многих сферах применения считается несущественным – несколько очень высокая хрупкость металла после обработки. Но потому как изменения затрагивают только сравнительно тоненький слой, эта характеристика считается незначительной и нивелируется очень высокой сопротивляемостью материала к изнашиванию.

При изготовлении деталей, нуждающихся в цианировании и следующей закалке нужно неукоснительно выполнять очередность и время выполнения частей тех. процесса. Так закалка обязана делаться тут же после завершения процесса насыщения, потому как вторичный нагрев заготовки приводит к оттоку молекул азота от обработанной поверхности. Уменьшение концентрации азота может составлять до 60%.

Как мы говорили, невысокая температура обработки позволяет соединить в едином процессе несколько вариантов обработки. Детали после завершения процесса насыщения просят короткого отрезка времени на подстуживание для последующей закалки в масле. Аналогичным образом, закалку в масле можно делать конкретно в нитроцементационной печи.

Все разновидности нитроцементации засчет ускорения насыщения стали углеродом если сравнивать с цементацией дают преимущество во времени обработки до 50-60%. Аналогичным образом, важные достоинства нитроцементации заключаются в сокращении времени производства с наименьшим риском негативного влияния на геометрию деталей. Одновременно повышаются рабочие качества благодаря присутствию азота.

Состав смеси газа очень просто настраивать как до, так и в процессе обработки. Сильно уменьшается время нагрева составляющих процесса, так как газ, подаваемый в камеру, может уже иметь нужную температуру.

Потому как процессы нитроцементации и цементации технологически аналогичные, для них может применяться одно и тоже оборудование, что значительно облегчает переход на иной ассортимент товаров или изменение технологии производства.

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