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.
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
Это интересно: Все о цементации металла на примере стали
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.
Содержание 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. При протекании второй фазы цианирования наружный слой обрабатываемой стали продолжает насыщаться углеродом.
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.
Определение слова «Цианирование» по БСЭ:
Цианирование — в гидрометаллургии, способ извлечения металлов (главным образом золота и серебра) из руд и концентратов избирательным растворением их в растворах цианидов щелочных металлов. Избирательность растворения достигается слабой концентрацией раствора (0,03-0,3% цианида), благодаря чему он мало взаимодействует с др. компонентами руды. Растворение золота и серебра в цианистом растворе происходит в присутствии растворённого в воде кислорода. повышение его концентрации интенсифицирует процесс (см. Цианиды). Для предотвращения разложения цианидов в растворы вводят в количестве 0,005-0,02% защитную щёлочь в виде извести или едкого натра. В основе теории процессов Ц. лежат закономерности кинетики растворения на неоднородной поверхности (при катодной деполяризации кислородом) и диффузионного растворения металлов (при одновременной диффузии цианида и кислорода). Большое значение имеют закономерности взаимодействия реагентов с минералами, учитывающие их состав и структуру. В промышленности применяют 2 метода Ц.: просачивание (перколяция) растворов через слой мелкораздробленной руды или песков и перемешивание пульпы при её интенсивной аэрации. Из раствора золото и серебро часто осаждаются цинковой пылью. Развивается сорбционное Ц., совмещающее процессы выщелачивания и извлечения растворённого золота и серебра из пульпы сорбцией анионитами или активированными углями. Этот вид Ц. эффективен при переработке труднофильтруемых шламистых руд. Извлечение золота при Ц. пульп составляет 90-96%, при расходе цианида натрия 0,25-3 кг/т и защитной щёлочи 0,5-5 кг/т. Впервые растворение золота и серебра в цианистых растворах изучил в 1843 П. Р. Багратион. Его исследования дополнили Ф. Эльснер (Германия, 1846) и М. Фарадей (1856). В производственную практику Ц. вошло в начале 90-х гг. 19 в. (патенты Дж. Мак-Артура и братьев Р. и У. Форрест, Великобритания, 1887 и 1888). См. также Благородные металлы, Гидрометаллургия. Лит.: Масленицкий И. Н., Чугаев Л. В., Металлургия благородных металлов, М., 1972. Основы металлургии, т. 5, М., 1968. Цианирование — стали, разновидность химико-термической обработки, заключающаяся в комплексном диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом и азотом в расплавах, содержащих цианистые соли, при 820-860°C (среднетемпературное Ц.) или при 930-950°C (высокотемпературное Ц.). Основная цель Ц. — повышение твёрдости, износостойкости и предела выносливости стальных изделий. В процессе Ц. цианистые соли окисляются с выделением атомарных углерода и азота, которые диффундируют в сталь. При среднетемпературном Ц. образуется цианированный слой глубиной 0,15-0,6 мм с 0,6-0,7% С и 0,8-1,2% N, при высокотемпературном (этот вид Ц. часто применяют вместо цементации) — слой глубиной 0,5-2 мм с 0,8-1,2% С и 0,2-0,3% N. После Ц. изделие подвергают закалке и низкому отпуску. Недостатки Ц.: высокая стоимость, ядовитость цианистых солей и необходимость в связи с этим принятия специальных мер по охране труда и окружающей природы. Ц. отличается от нитроцементации, при которой насыщение азотом и углеродом ведётся из газовой среды. Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965. Лахтин Ю. М., Металловедение и термическая обработка металлов, 2 изд., М., 1977. Ю. М. Лахтин.
Структурные изменения в металле
При внедрении атомов азота и углерода в поверхностном слое металла происходят некоторые изменения. При нитроцианировании меняется соотношение остаточного количества аустенитов и мелкокристаллических мартенситов в поверхностном слое, добавляется небольшое количество твердого раствора карбонитридов, что влияет на механические свойства – твердость и износостойкость.
В то же время несколько повышается хрупкость и снижается усталостная и контактная прочность. Особенно это качество проявляется в легированной стали с содержанием никеля более 1.2 %. Таким образом, не все марки стали допустимо обрабатывать по данной методике. Уменьшение размеров зерен структуры достигается путем дополнительной закалки и отпуска непосредственно после процесса нитроцементации. Обработанная таким образом сталь имеет меньший размер зерен, чем цементированная, что повышает ее прочность на изгиб при одновременном уменьшении толщины обработанного слоя.
Нитроцементация существенно изменяет характеристики тонкого наружного слоя металла, его твердость и износостойкость. После дополнительной термической обработки – закалки, твердость поверхностного слоя по шкале Роквелла составляет 58-64 HRC или 500 – 1000 HV по методу Виккерса. Применяя низкотемпературную цементацию, можно получить тонкий поверхностный слой с твердостью 5000 – 11000 HV.
Достоинства и недостатки нитроцементации
Среди достоинств нитроцементации можно отметить высокую технологичность процесса, простоту и удобство регулировки параметров. Подбирая температурный режим, состав газовой смеси и, в особенности, время обработки, можно легко регулировать толщину насыщаемого слоя в зависимости от предъявляемых требований. Низкая температура обработки снижает риск деформации изделия и упрощает дальнейшую закалку, поскольку необходимо лишь минимальное время для снижения температуры заготовки. Таким образом уменьшается время технологического цикла производства продукции. Обработанные изделия имеют высокое качество поверхности и отличные физико-механические свойства. У низколегированных сталей после обработки наблюдается повышение коррозионной стойкости.
Микроструктура нитроцементованных слоев
Среди множества полезных свойств нельзя забывать, что подобная методика обработки металла имеет и недостатки. Самый существенный недостаток такой разновидности нитроцементации, как цианирование – высокая токсичность компонентов производства. Для насыщения азотом и углеродом используются цианистые соли натрия и кальция, которые являются крайне токсичными веществами.
Менее существенный недостаток, который во многих областях применения является несущественным – несколько повышенная хрупкость металла после обработки. Но поскольку изменения затрагивают только сравнительно тонкий слой, данная характеристика является несущественной и нивелируется повышенной сопротивляемостью материала к износу.
При производстве деталей, нуждающихся в цианировании и последующей закалке необходимо строго соблюдать последовательность и время выполнения частей технологического процесса. Так закалка должна выполняться сразу же после окончания процесса насыщения, поскольку повторный нагрев заготовки приведет к оттоку молекул азота от обработанной поверхности. Уменьшение концентрации азота может составлять до 60%.
Как уже говорилось, низкая температура обработки позволяет объединить в едином процессе несколько видов обработки. Детали после окончания процесса насыщения требуют небольшого времени на подстуживание для дальнейшей закалки в масле. Таким образом, закалку в масле можно производить непосредственно в нитроцементационной печи.
Все виды нитроцементации засчет ускорения насыщения стали углеродом по сравнению с цементацией дают преимущество во времени обработки до 50-60%. Таким образом, основные преимущества нитроцементации заключаются в сокращении времени производства с минимальным риском отрицательного воздействия на геометрию деталей. Одновременно повышаются эксплуатационные качества благодаря присутствию азота.
Состав газовой смеси достаточно просто регулировать как до, так и в процессе обработки. Значительно сокращается время нагрева составляющих процесса, так как газ, подаваемый в камеру, может уже иметь необходимую температуру.
Поскольку процессы нитроцементации и цементации технологически очень похожи, для них может использоваться одно и тоже оборудование, что существенно облегчает переход на иной ассортимент продукции или изменение технологии производства.
Свойства металла после обработки
После проведения цементации твердость науглероженного слоя достигает: 58-61 HRC на легированных сталях и 60-64 HRC на низкоуглеродистых сталях. Длительное нахождение стали при высоких значениях температуры, вызывает изменение структуры металла.
Структура стали после цементации
Для исправления крупного зерна металла детали после цементации подвергаются повторному нагреву и закалке с последующим отпуском или нормализацией.
Закалка производится при температуре, не превышающей 900С. В металле происходит измельчение зерна за счет получения перлита и феррита.
Вместо закалки для легированных сталей производят нормализацию. После сквозного прогрева в середине детали образуется мартенсит. Нагрев детали зависит от марки стали, из которой она была изготовлена.
Режимы термической обработки стали после цементации
В качестве заключительной фазы проводят низкотемпературный отпуск, который позволяет устранить поверхностные напряжения и деформации, вызванные высокотемпературной обработкой.
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.
Плюсы и минусы
При несомненных преимуществах, выражающихся в повышенных эксплуатационных характеристиках цианированной поверхности, процессы нитроцементации имеют и свои ограничения:
- Повышенные требования к технике безопасности и вопросам охраны окружающей среды;
- Необходимость в точном регуклировании режимов обработки, поскольку при превышении времени цианирования поверхность получается твёрдой и хрупкой;
- Невозможность использования нитроцементации для химико-термической обработки сталей, которые содержат алюминий.
Большинство этих недостатков устраняется тщательным контролем безопасности работ, который касается соблюдения правил хранения и транспортировки цианидсодержащих реагентов, а также своевременным регламентным обслуживанием производственного оборудования.
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.
Это интересно: Особенности закалки различных видов стали – способы, температура, прочие нюансы
Области применения
Цианирование стали применяется в автомобильной промышленности для упрочнения мало- и средненагруженных деталей. Для получения нитроцементованного слоя глубиной не менее 0,4…0,5 мм необходимы периоды загрузки от 10…15 мин.
Снижение температуры нитроцементации до 8500С (против 9200С) при газовом цианировании, а также температуры закалки нитроцементованных деталей до 8200С уменьшает объёмную и локальную деформацию изделий. Это служит значительным преимуществом рассматриваемого вида химико-термической обработки.
В производстве высокостойкого инструмента для станков и прессового оборудования, в частности, получаемого из быстрорежущей стали, применяется обработка в смеси аммиака и углеродсодержащих газов. Наибольший эффект из них обеспечивают пропан и бутан. Температура нитроцементации инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей, должна соответствовать температурам отпуска после закалки. Обычно используется выдержка от 1 до 3 часов, что определяется конфигурацией инструмента. Микротвёрдость нитроцементованного слоя должна быть не ниже 1000…1500 HV, причём с увеличением толщины детали разница в показателях износостойкости после ферритной и аустенитной нитроцементации практически незаметна.
Изменения размеров цианированных изделий, проявляющиеся после длительной термической обработки, обычно меньше, если процесс идёт по аустенитному варианту.
Разработанные модели для размерного роста позволяют исключать искажения размеров, что часто наблюдается после аустенитной нитроцементации. В частности, с целью устранения нежелательных внутренних напряжений, особенно в местах перехода от упрочненного слоя к основному подслою, часто вводится дополнительный отпуск аустенитных нитроцементованных деталей. После такого отпуска слой аустенита трансформируется до твердой бейнитной фазы. Закалка приводит и к увеличению коррозионной стойкости нитроцементованных сталей.
Традиционное цианирование ныне применяется только для обработки крупных заготовок, поскольку расплавы цианидов отличаются высокой степенью токсичности. Поэтому на некоторых предприятиях цианиды частично заменяются цианатами: их расплавы не так отрицательно сказываются на экологии прилегающих производственных зон.
Нитроцементация используется не только в машиностроительном или инструментальном производствах. Важной сферой применения данных технологий является цианирование золота. Процесс применяют при извлечении золота из руды либо в контролируемых условиях обогатительной фабрики, либо даже под открытым небом. При чановом выщелачивании смешивают мелко измельчённую руду с цианидной солью, растворённой в воде. Цианид связывается с ионами золота, тем самым позволяя им легче отделиться от основной породы.
Цианидное кучное выщелачивание используется для относительно низкокачественной руды или — иногда — для переработки отходов других методов добычи полезных ископаемых (например, оставшихся «хвостов» шахт).
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.
Антикоррозийное азотирование
Для повышения сопротивления коррозии стальных деталей на поверхности необходимо получить беспористый, не травящийся, антикоррозийный слой фазы (0,01-0,03мм), который стоек в атмосфере, бензине, слабых щелочных растворах. Азотирование в этом случае проводят при t = 600-700°С, продолжительность процесса 0,5-1,5 часа. Оно тоже повышает твердость, предел прочности и выносливости. Однако при этом не предъявляются высокие требования к механическим свойствам, поэтому антикоррозийное азотирование проводится при более высокой температуре и на любых сталей, даже обычных углеродистых. В зависимости от условий протекания процесса различают газовое и жидкостное азотирование. Азотирование в жидких средах называют тенифер-процесс и проводится в расплавах 40% KNC + 60% NaCN,t = 550-570°С, t = 0,5-0,3 часа. При продувании сухого воздуха на поверхности образуется 7-15мкм слой карбонитридов Fе3(CN) с высоким сопротивлением износу. Преимущество метода незначительное изменение размеров, а недостаток: токсичность и высокая стоимость цианистых солей. Контроль качества азотирования осуществляется по твердости, по глубине слоя на образцах-свидетелях, внешним осмотром поверхности азотирования.
Насыщение поверхности стали одновременно с углеродом и азотом называется цианированием. Цианирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и установочной прочности стальных деталей. Цианирование можно производить в твердой, жидкой и газовой средах, поэтому различают жидкое и твердое цианирование, газовое цианирование называют нитроцементацией. Азот, проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает критическую Асз, способствует интенсивному науглероживанию стали при более низкой температуре, чем при цементации. Кроме того, азот ускоряет диффузию углерода в аустените. Поэтому цианирование имеет следующие преимущества:
1.Производительность процесса планирования несколько более высокая, чем цементация за счет большей скорости процесса;
2. Более низкая температура цианирования 840-860° С способствует уменьшению деформации деталей, увеличению долговечности печного оборудования, делает возможным закалку непосредственно после цианирования;
3. Диффузионный слой, полученный в результате цианирования или нитроце ментации, имеет особые свойства, отличные от свойств только цементованного или азотированного слоев.
Для планирования чаще применяют стали содержащие 0,2-0,4% С, углеродистые или низколегированные, инструментальные, высоколегированные стали, которые подвергают планированию для повышения износостойкости. Наиболее часто встречается жидкостное планирование и нитроцементация.
Жидкостное цианирование проводится в расплавленных солях:
цианистых (NaCN, KCN,K4 и нейтральных (NaCl, BaCl,NaC03, KCl и другие). В последнее время более широко применяют ванну, состоящую из 20-25% NaCN, 25-50% Na2CO3. Кислород, растворенный в жидкой ванне, вступает во взаимодействие с NaCN
4NaCN+02 >4NaCNO
4NaCNO + 02 > 2Na2C03 + 2СО + 4N (атом)
2СО>С02+С(атом).
Атомарные N и С диффундируют в железо, а в результате реакций остается Na2C03. Цианирование ведут при t = 820-870°C, а затем детали подвергают закалке с температуры цианирования и низкому отпуску (180-200 ° С) (рис. 82). Микроструктура состоит из тонкого слоя карбонитридов Fe2 (N,C); Fe3 (C,N) и азотистого мартенсита. Для получения слоя большей глубины повышают температуру цианирования (глубокое цианирование) до t = 900-950 ° С в ванне, содержащей 8% NaCN, 82% ВаСl , 10% NaCI
ВаСl2 + 2NaCN →NaCI + Ba(CN)2
Ba(CN)2 → Ba(CN)2+C(aтом).
Ba(CN) 2 +02 →BaO+CO+2N (атом).
После высокотемпературного цианирования детали охлаждают на воздухе, а затем для измельчения зерна снова нагревают под закалку.
Чем выше температура цианирования, тем ближе этот процесс к цементации. Глубокое цианирование применяют вместо цементации, т.к. оно требует меньше времени для получения слоя заданной толщины, значительно меньше деформация деталей и более высокое сопротивление износу и коррозии.
Инструменты из быстрорежущих и высокохромистых сталей подвергают низкотемпературному цианированию при t = 550-600° с насыщением поверхности стали азотом. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость и высокая стоимость цианистых солей.
Нитроцементацияосуществляется в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и диссоциированного аммиака при t=850-860°C. В зависимости от аммиака и температуры процесса концентрации азота и углерода в поверхностном слое стали разная. Так, при t= 850-870°C в атмосфере с минимальным количеством NНз (3%), легированные стали насыщаются углеродом значительно интенсивнее, чем азотом. Такой процесс предложено называть карбонитрированием. Углеродистые и низколегированные стали при 850-870°С и повышенном содержании NH3 подвергают нитроцементации. Различают высоко- и низкотемпературную нитроцементацию. После высокотемпературной нитроцементации при t = 840-860°С проводят непосредственно закалку или с температуры нитроцементации или после подстуживания до 800-820°С и низкий отпуск. Контроль качества термической обработки осуществляется на образцах-свидетелях из той же марки стали, что и обрабатываемые детали, прошедших химико-термическую обработку вместе с деталями. Металлографически определяется толщина слоя и его структура. После закалки и отпуска на поверхности деталей измеряют твердость, которая должна быть в пределах HRC 58-64. Структура поверхностного слоя после нитроцементации и закалки состоит из мелкокристаллического мартенсита, 25-30% карбонитридов и остаточного аустенита. Причем количество остаточного аустенита в нитроцементованном слое больше, чем в цементованном вследствии легирования первого азотом. Повышенное количество остаточного аустенита в нитроцементованном слое объясняет повышенную пластичность, вязкость и хорошую прирабатываемость деталей после нитроцементации.
Нитроцементация более дешевый процесс, чем жидкостное цианирование, безопасный, позволяет более точно регулировать толщину и состав диффузионного слоя.
По сравнению с газовой цементацией нитроцементация проводится при более низкой температуре; но с той же скоростью, не выделяется сажа на поверхности деталей, диффузионный слой обладает более высокой износостойкостью, пределом выносливости, при нитроцементации меньше деформация деталей, меньше стоимость процесса. Поэтому нитроцементация быстро внедряется в промышленность вместо газовой цементации. Для нитроцементации в шахтных печах применяют жидкий цианизатор-триэтаноламин (C2H4ОН)3N, который вводится в рабочее пространство в виде капель. При температурах 550-950°С он разлагается по реакции:
М(С2Н40Н)3 -2СН4 +HCN+3CO+3H2
СН4, HCN и СО обеспечивают получение атомарных С и N. В последние годы начали применять низкотемпературную нитроцементацию) при t= 570-600°C в атмосфере углеродосодержащих газов и аммиака, которая может заменить жидкое азотирование в расплавленных ядовитых цианистых солях.
Диффузионная металлизация.
Диффузионной металлизация-это процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах.
При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие из ферросплавов с добавлением хлористого аммония в количисве 0,5-5%.
Жидкая диффузионная металлизация осуществляется погружением детали в расплавленный металл (например цинк, алюминий).
При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с металлами при высоких температурах .
Диффузия металлов в железе идет значительно медленнее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а металлы – твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации получаются в десятки раз более тонкими.
Поверхностное насыщение стали металлами проводится при температуре 900-1200С.
Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость и коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.
При алитировании в порошкообразных смесях чистые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик.
Алитирование в расплавленном алюминии отличается от алитирования в порошкообразных смесях простотой метода, быстрой и более низкой температурой.
Основным недостатком является- налипание алюминия на поверхность детали.
Алитированные стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках.
Алитированием подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газогенераторных машин и т.д.
Хромирование проводят для повышения коррозионной стойкости, кислотостойкости, окалиностойкости и т.д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей повышает твердость и износостойкость.
Хромирование чаще всего проводят в порошкообразных смесях. Процесс происходит при температуре 1000-1050С.Диффузионный слой, получаемый при хромировании углеродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Карбидный слой имеет высокую твердость HV 12000-13000. Толщина хромированного слоя достигает 0,15- 0,20 мм при длительности процесса 6-15ч.Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.
Иногда применяют хромирование в вакууме. Издели засыпают кусочками хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в вакуумную печь.
Хромирование применяют для пароводяной арматуры, клапанов, вентилей.
Борированием называется насыщение стали бором. Борирование проводят с целью повышения стойкости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3мм, твердость HV 18000-20000.
Широкое распространение получил метод электролизного борирования в расплавленных солях, содержащих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавленной бурой. Температура процесса 900-950С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с расплавленными хлористыми солями, в которые добавляют порошкообразный ферробор или карбид бора.
Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штампы.
Силицированием называется процесс насыщения поверхности стали кремнием. В результате силицирования сталь приобретает высокую коррозионную стойкость в морской воде, в различных кислотах и повышенную износостойкость. Кроме того, силицирование резко повышает окалиностойкость молибдена и некоторых других металлов и сплавов.
Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в а-железе. Силицированный слой несмотря на низкую твердость (HV 2000-3000) и пористость после пропитки маслом при температуре 170-200С имеет повышенную износостойкость.
Перейти на страницу: 1
Другое по теме
Железобетонные конструкции Техническое задание Разработать проект плоского железобетонного ребристого перекрытия по заданному плану перекрываемого помещения. Проект перекрытия составить в двух вариантах: в монолитном и сборном железобетоне. Состав проекта По варианту в монолитном железобетоне: схему балочной клетки, расчет плиты, …
Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м3 Нормативные документы периода разработки типового проекта «Стальной вертикальный цилиндрический резервуар емкостью 5000 м3» отражали уровень научно-технических знаний того времени и, естественно, не могли учитывать достижений науки и практики последующих лет, отраженных в строительных нормах и правилах периода возведен …
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.
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.
Преимущества технологии в промышленности
Технология нитроцементации имеет широкое применение в области промышленности. Данный способ упрочнения применяется для деталей в виде шестерен и зубчатых передач, которые работают в условиях повышенных нагрузок. Следует выделить ряд преимуществ нитроцементации:
- минимальное коробление обрабатываемых деталей; • низкий рост аустенитногозерна; • высокая скорость выполнения процедуры; • относительно низкие затраты на проведение работ; • минимизация технологических процессов.
При нитроцементации отсутствует необходимость в проведении закалки методом повторного нагрева детали. Соответственно промышленное предприятие может сэкономить производственный бюджет.
Технология цементации стали, ее сущность и назначение — методики и видео
В зависимости от специфики применения различных металлов и сплавов нередко производится их дополнительная обработка. Это позволяет выделить (усилить) те или иные свойства образца. Что представляет собой цементации стали, зачем она нужна, в каких случаях целесообразно ее проводить – об этом читатель в доступной форме узнает из предлагаемой статьи.
Существуют различные методики химико-термического воздействия на материалы. Одна из них – цементация. Применяется данная технология для сталей малоуглеродистых и легированных, содержание элемента «С» в которых не превышает 0,25%.
Назначение – повышение таких характеристик сплава, как износостойкость, прочность, твердость.
Для реализации чаще всего используются специальные печи, где процесс протекает при высокой температуре – порядка 945 (±15) ºС.
В зависимости от габаритов и конструкционных особенностей изделия оно выдерживается в таких условиях в течение нескольких часов. По сути, это комплексная обработка детали (химическая + термическая) с целью придания ей твердости.
Пастами
Технология самая простая, но не всегда применимая. Для деталей, имеющих сложную конфигурацию, с различными выступами, пазами и тому подобное, она явно не подходит.
Методика – поверхностное нанесение цементирующей пасты на образец. Ее слой выбирается большим по сравнению с расчетной глубиной проникновения углерода в сталь (примерно в 7 раз).
Условия – температурный режим выставляется в зависимости от вида пасты, в пределах от 900 до 1 000 ºС.
Такую цементацию стали можно провести и в домашних условиях, при наличии сушильного шкафа с требуемыми параметрами.
Газовой средой
Одна из самых эффективных методик, которая широко применяется в промышленности. Она существенно упрощает процесс цементации, сокращает время обработки стали и повышает производительность. Главное условие – правильно подобрать смесь по долевому содержанию углерода и оптимальный температурный режим.
Методика – продукция загружается с цементационную печь, в которую подается газ.
Кипящим слоем
Такой способ лишь отчасти напоминает предыдущий.
Методика – в печи, на решетке газораспределительной, помещается так называемый корунд. Эндогаз (смесь, в которую вводится метан) подается снизу и, поднимаясь, его разжижает, вследствие чего мельчайшие фракции начинают перемещаться вместе с потоком к обрабатываемому изделию. При высокой температуре происходит диффузия частичек корунда, и как результат, насыщение поверхностного слоя образца углеродом.
Особенность – степень цементации легко регулировать, изменяя подачу газа. Такая технология позволяет равномерно насыщать сталь по всей площади.
Такой способ, с учетом затрат и небольшой сложности, специалисты рекомендуют использовать при мелкосерийном производстве заготовок.
Твердым карбюризатором
В качестве насыщающей среды при такой технологии цементации используются полукоксы каменноугольный, торфяной или древесный уголь с гранулами от 3 до 10 мм при обязательном добавлении веществ, инициирующих процесс (активизаторов).
Методика – обрабатываемые образцы помещаются в металлическую емкость, на песчаный затвор. Они располагаются так, чтобы со всех сторон их можно было обложить слоем карбюризатора. Следовательно, соприкосновение изделий со стенками резервуара или друг с другом не допускается.
Условия цементации – температура 925 (±25) ºС. Время выдержки зависит от слоя насыщающей среды. Определяется из расчета: на 0,1 мм – 1 час термической обработки. Процесс можно ускорить, доведя нагрев до 975 – 980 ºС. Это сокращает время проведения технологической операции, но повышает эн/затраты и снижает качество готового продукта. На его поверхности образуется сетка, которую придется удалять.
В ряде случаев это довольно сложно, например, если изделие характеризуется рельефностью.
