Termokings.ru

Домашний Мастер
4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Нитроцементация стали

Нитроцементация стали

Изделия из стали, которые применяются в узлах трения, например, в шестернях редукторов, требуют повышенной прочности для увеличения срока службы и надежности работы узлов. Высокопрочная легированная сталь имеет высокую стоимость и трудно обрабатывается. Вместе с тем, для большинства узлов не требуется высокая прочность всего объема детали, а только поверхностного слоя, непосредственно воспринимающего нагрузку. Для таких целей разработаны методы упрочнения поверхностного слоя, одним из них является нитроцементация.

Среди химико-физических методов можно выделить следующие:

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

Два последних пункта подразумевают насыщение атомами азота и углерода тонкого внешнего слоя металла, но различаются технологией применения. Нитроцементация стали производится в газовой среде, а цианирование ведется в жидком расплаве солей. Рассмотрим метод нитроцементации подробнее.

В отличие от цементации, цианирование стали придает металлоизделиям еще большую прочность и устойчивость к нагрузкам и коррозии. При этом сам процесс протекает гораздо быстрее и часто даже экономнее.

Насыщение стали углеродом и азотом может происходить в трех агрегатных средах — жидком, твердом и в газе. Но в случае с цианированием процедура может протекать как в высокотемпературном (при 900°), так и низкотемпературном (чуть более 500°) режиме.

Особенности способов цианирования стали:

  • В твердых средах применяется в случае, когда нужно укрепить поверхность быстрорежущей стали (для изготовления режущих инструментов, работающих на больших оборотах). Происходит в герметичной среде под большой температурой и в специальном древесном угле с желтым минералом гексацианоферратом;
  • Нитроцементация в газе происходит как в среднетемпературном режиме — при 550°, так и в высокотемпературном — более 950°. Материал нагревают в газе, содержащем углерод с примесями аммиака, что создает прочную пленку от 0,30 до 2-х миллиметров;
  • В жидкости цианирование стали происходит также в двух температурных режимах — среднем и высоком. В первом случае в жидком растворе используются цианистые соли, отдающей атомы азота. Во втором — в растворе преобладает атомы углерода, так как он лучше диффундирует (передается) при высоких температурах.

В процессе цианирования происходит выделение сильнодействующих токсинов. Этим оно отличается от цементации и поэтому все чаще в производстве используется газовый метод, который минимизирует вредные последствия выделяемых ядов.

3 Ключевые достоинства нитроцементации и цианирования

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

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

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

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

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

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

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

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:

  1. 50% цианистого калия и 50% цианистого натрия. Средняя температура плавления смеси около 490°С.
  2. 96—98% цианистого натрия и 4—2% соды. Смесь плавится при температуре 550°С.
  3. 60% цианистого натрия и 40% соды. Температура плавления состава около 440°С.
Читать еще:  Травление металла — оригинальная визитка своими руками

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

Эффективность цианирования хоть и подтверждена, но не имеет единого показателя. Всё зависит не только от качества обработки, но и от способа переточки деталей, а также их характера износа. Наибольшая эффективность цианирования отмечается при обработке следующих инструментов:

  • 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.

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.

Карбонитрация как альтернатива цианированию

Цианирование по своему назначению и принципу воздействия на поверхностный слой стальных изделий является 100% аналогом процесса КАРБОНИТРАЦИЯ. При этом процесс карбонитрации не токсичен, т.к. выполняется в расплавах цианатов, которые совершенно безвредны для человека и просты в использовании.

Наше предприятие ООО «Новые технологии упрочнения «КАРБАЗ» не применяет процесс ЦИАНИРОВАНИЯ, и для своих ЗАКАЗЧИКОВ предлагает более прогрессивный и безопасный процесс карбонитрации

Читать еще:  Ортофосфорная кислота: применение против ржавчины

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

Цианирование стали

Этот вид обработки основывается на применении цианистых соединений для процесса цементирования. Так как в группе циана(ОЧ) присутствуют атомы углерода и азота, то при разложении цианистых соединений может производиться цементирование железа обоими элементами. В связи с этим уже давно было отмечено сильное влияние цианистых солей при цементировании ими железа.

Такой способ цементирования расплавленной железо-синеродистой солью K4Fe (CN)6 применялся в практике уже давно под названием жидкой цементации, причем раньше оставалось невыясненным влияние азота, и процесс относили к виду цементирования углеродом.

В настоящее время,, учитывая специфическое влияние обоих элементов, обработку цианистыми соединениями выделяют в особый вид под названием цианирование, которое разделяют, в свою очередь, на жидкое и газовое (сухое).

Жидкое цианирование производится в ванне с расплавленными нейтральными солями (Na2C03, NaCl и т. п.), содержащими в растворе цианистые соли NaCN, Ca(CN)2, CaCN2 (цианамид кальция), K4Fe (СН) и др.

В зависимости от температуры процесса различают:

1. Низкотемпературное цианирование, производящееся при 550-600° в почти чистых расплавленных цианистых солях (NaCN + KCN); применяется главным образом к быстрорежущим сталям для повышения их стойкости в работе.

2. Высокотемпературное цианирование, осуществляемое при 800-850° в ванне с концентрацией цианистых солей 20-40%; применяется как простое цементирование углеродом для повышения твердости и стойкости поверхности.

По сравнению со способами твердого и газового цементирования высокотемпературное цианирование отличается значительно большей скоростью процесса: продолжительность от 5 мин. и не более 1 часа. Благодаря этому, а также сравнительно низкой температуре изделие закаливается непосредственно из ванны и имеет хороший вид поверхности.

Иногда жидкую ванну активизируют разными добавками (например, NH3) в целях интенсификации процесса.

Все виды жидкого цианирования дают обычно резкое цементирование углеродом совместно с азотом, причем роль последнего становится тем больше, чем ниже температура ванны. Цианированный слой стали отличается твердостью и высоким сопротивлением износу.

Недостатками этой операции являются: потеря дорогостоящих цианистых солей от разбрызгивания и улетучивания и опасность работы с ними ядовиты.

Газовое цианирование (нитроцементирование). Этот способ отличается от газового цементирования тем, что к цементирующему газу добавляется аммиак, дающий активированные атомы азота, которые вызывают дополнительное азотирование металла и, кроме того, ускоряют диффузию углерода. В связи с тем, какой из процессов должен преобладать, применяют два вида газового цианирования, называемого нитроцемеитацией.

Читать еще:  Инструмент для накручивания проволоки своими руками

1. Низкотемпературное цианирование, производящееся при 500-700°, когда получается преимущественно диффузия азота с образованием нитридов, но с некоторым количеством продиффундировавшего углерода (поскольку диффузия последнего ускоряется и температура ее снижается от присутствия азота).

Этот способ, так же как низкотемпературное жидкое цианирование, широко применяется для повышения стойкости быстрорежущих инструментов.

2. Высокотемпературное цианирование, производящееся при 800-850°. Здесь преобладает цементирование углеродом с преимущественным образованием аустенита, подвергаемого закалке. Отличие от простого газового цементирования, связанное с присутствием азота, заключается в более низкой температуре процесса и меньшей его продолжительности (1-5 час).

Качество полученного цементированного слоя получается не ниже, чем при других способах цементирования, перед которыми газовое цианирование имеет следующие преимущества: процесс применим ко всякой стали (в отличие от азотирования); нет опасности отравления и потерь дорогих цианистых соединений (в отличие от жидкого цианирования).

Нитроцементация — новейший и наиболее совершенный способ химико-термической обработки, получающий все большее распространение в технике. Недочетом его, как и всякого газового цементирования, является необходимость оборудования специальной установки для ведения процесса. В этом отношении старый способ твердого цементирования иногда незаменим, поскольку может быть выполнен при самом примитивном оборудовании в любых мастерских.

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.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector
×
×