Нитроцементация стали: цель, виды, технология

Нитроцементация представляет собой по сравнению с обычной цементацией более эффективный процесс обработки стали, придающий ей особые механические свойства.

Данная процедура – это не что иное, как одновременное насыщение азотом и углеродом поверхностных слоев стали, которое осуществляется в газовой среде. Если такая загрузка азота и углерода выполняется в цианистой расплавленной ванне, она носит название цианирования.

Указанным операциям подвергаются:

  • нержавеющие стали;
  • без добавок легирующих составляющих и легированные стали со средним содержанием углерода;
  • низкоуглеродистые конструкционные стали.
  • Нитроцементация стали: цель, виды, технология
  • Рекомендуем ознакомиться
  • Цианирование стали (озвученных выше типов) и ее цементация выполняются в строгом температурном интервале – от 820 до 950 °С с целью увеличения следующих показателей:
  • износостойкости;
  • твердости (поверхностной);
  • предела выносливости металла.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

Среднеуглеродистая сталь улучшенного качества цементируется уже при более низких температурах (около 590 градусов). Такой процесс называют мягким азотированием.

Его задача состоит в увеличении предела выносливости и уровня износостойкости обрабатываемого материала. Также на металлургических предприятиях производится газовое цианирование быстрорежущих сталей.

После операции они становятся стойкими к износу и воздействию высоких температур, обретают твердый поверхностный слой.

При увеличении температуры, при которой выполняется газовое цианирование, в диффузионном слое наблюдается снижение количества азота. При этом содержание углерода до определенного момента (а иногда и непрерывно) повышается.

Его количество начинает снижаться только на последних этапах операции насыщения.

За счет этого наибольшее насыщение углеродом металла может фиксироваться при разных показателях температуры (конкретная величина зависит от науглероживающих возможностей среды).

Азот при совместной диффузии оказывает значительное влияние на:

  • глубину диффузии углерода;
  • уровень насыщения углеродом стали.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

В тех случаях, когда азота в сплаве очень много, возрастает вероятность формирования карбонитридных образований (фаз) на поверхности стали. Это приводит к тому, что газовое цианирование затрудняется из-за малой степени диффузии углерода.

Нитроцементация характеризуется двумя стадиями насыщения обрабатываемой поверхности. Эти стадии по своим кинетическим показателям существенно отличаются друг от друга.

На первом этапе, который продолжается от 60 до 180 минут, сталь одновременно насыщается азотом и углеродом. А на втором отмечается явление десорбции азота в то время, когда углерод еще продолжает проникать в поверхность.

Под десорбцией понимают перемещение некоторых абсорбированных атомов в газовую фазу с поверхности стали.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

При увеличении температуры процесса азота становится меньше, а углерода больше. Но данное явление, имеющее линейный характер, справедливо исключительно для верхней части диффузионной зоны. А вот в слоях, которые располагаются на большей глубине, указанная линейность не действует.

Когда осуществляется цианирование, углерод всегда проникает в сталь на меньшую величину, нежели азот. Глубина проникновения при этом устанавливается по микроструктуре материала. Данный факт обуславливает то, что в ряде случаев при обработке тонкие цианированные изделия могут иметь очень высокую хрупкость, если сравнивать ее с величиной хрупкости цементованных заготовок.

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Источник: http://tutmet.ru/nitrocementacija-sorbcionnoe-cianirovanie-stali-edinovremennaja-zagruzka.html

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

 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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

В ряде случаев это довольно сложно, например, если изделие характеризуется рельефностью.

Электролитическим раствором

 Методика  – по сути, это разогрев постоянным током. Роль анода в цепи играет обрабатываемая деталь.

 Условия  – U = 150 – 300В. Это позволяет, в зависимости от силы тока, изменять температуру в пределах 500 – 1 100 ºС. Электролит готовится из нескольких компонентов, а в качестве активизаторов используются вещества с высоким содержанием углерода. Например, ацетон, сахароза, глицерин.

Источник: https://ismith.ru/metal/texnologiya-cementacii-stali/

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

Нитроцементация стали

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.

Технология нитроцементации

Сущность и назначение нитроцеменетации стали заключается в особой методике процесса обработки тонкого внешнего слоя металла, который производится следующим образом.

Заготовку для нитроцементации металла помещают в среду из смеси газов, в которую входит аммиак и углеродосодержащий газ. Далее металл нагревают и выдерживают в газовой смеси некоторое время. При этом происходит диффузия атомов углерода и азота в металл.

Изменяются его физико-механические свойства. Попутно образуются твердые растворы соединений углерода, азота и железа.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

Влияние температуры и длительности на глубину нитроцементации

Присутствие азота в атмосфере приводит к следующим особенностям нитроцеменетации, в отличие от цементации:

  • Дополнительное насыщение поверхности азотом;
  • Снижение температуры нагрева для возможности осуществления процесса;
  • Ускорение процесса диффузии углерода.

Варьируя параметры процесса, то есть состав газовой смеси, температуру, время обработки, можно изменять глубину воздействия. Исследования показали, что с повышением температуры увеличивается скорость диффузии углерода и азота в глубину металла. Глубина проникновения атомов газа в металл регулируется временем выдержки нагретого изделия в рабочей среде.

Читайте также:  Столярный угольник свенсона: применение, особенности, использование

По сути, нитроцементация и цианирование – это виды нитроцементации, которые различаются технологией. Детали, поверхность которых упрочнена посредством цианирования или нитроцементации, будут иметь одинаковые технические характеристики. При цианировании обрабатываемые детали помещают в расплав цианистых солей натрия или кальция.

Температура обработки остается примерно такая же, как и при газовой обработке. При цианировании можно легко получить легированный слой металла до 2-х мм, но при этом следует помнить, что при увеличении толщины слоя в структуре начинают появляться темные области, хорошо заметные под микроскопом, которые указывают на избыток азота на границах кристаллов.

Данные области снижают механическую прочность, увеличивая хрупкость металла.

Применение нитроцементации или цианирования возможно только для легированных сталей, в которых углерод содержится в количестве не более 0.25%.

Для осуществления процесса диффузии азота и углерода из среды газа необходим нагрев металла до температуры 700 – 950 °С.  Наиболее часто работа ведется при температуре нитроцементации 850 – 870 °С.

Данные значения температуры лишь немного превышают температуру закалки и поэтому позволяют упростить процесс закалки деталей, снижают вероятность деформации и сокращают общее время производственного цикла. Уменьшить развитие деформации может также ступенчатая закалка в горячем масле.

Все сказанное говорит о том, что данный вид обработки наиболее применим к деталям сложной геометрической формы, у которых повышенные требования к форме поверхности и совершенно недопустимо образование закалочных трещин.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

Нитроцементация

Основная область применения нитроцементации стали – машиностроение и автомобильная промышленность. Более 90% автомобильных деталей – шестерен редукторов, валов, упрочняются при помощи нитроцианирования. Данный процесс упрочнения стали является основным в технологии производства зубчатых колес любого назначения, а также некоторых категорий инструмента из быстрорежущей стали.

В некоторых областях применения нет необходимости в большой толщине обработанного упрочненного внешнего слоя. Изменив состав исходной газовой смеси, выполняют нитроцементацию металла при более щадящих температурах, чем при стандартном процессе.

Используя смесь аммиака с метаном или эндогазом в равных пропорциях (по 50%) при сравнительно небольшой температуре 570°С в течении времени от получаса до 3-х часов получают тонкий поверхностный слой карбонитрида Fe3(N,C).

Такой слой имеет очень высокую твердость и износоустойчивость.

Нитроцементация с низкой температурой выполняется в качестве окончательной операции уже после термической обработки — закалки и отпуска. Высокая твердость поверхности определяет область применения технологии для увеличения срока службы быстрорежущего инструмента.

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.

Такая особенность структуры нитроцементированного слоя, как повышение количества аустенитов, улучшает прирабатываемость стали, что важно при работе зубчатых передач, поскольку снижается шумность работы механизмов.

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.

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

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/nitrocementaciya.html

Нитроцементация стали — цель, виды, технология

Нитроцементация представляет собой по сравнению с обычной цементацией более эффективный процесс обработки стали, придающий ей 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

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:

  1. В рабочую ванну с расплавленной солью цианистой состава 15% Na₂CO₃, 60% NaCl и 25% NaCN помещают деталь.
  2. Далее рабочую среду нагревают до температуры от 930 до 530 градусов по Цельсию (в зависимости от выбранного режима обработки).
  3. 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:

  1. Начальный период нитроцементации длительностью от одного до трех часов, характеризующийся внедрением в кристаллическую решетку металла атомов азота, углерода.
  2. 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.
Читайте также:  Контроль резьбы: методы, приборы, дефекты

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.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

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.

Низкотемпературная нитроцементация

В промышленности, для конструкционных и инструментальных сталей иногда применяют нитроцементацию при более низких температурах. Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 °С в течение полутора – трех часов в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака.

В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe3(N, C), обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000–11000 HV. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий.

Процесс рекомендуется проводить в качестве аналога жидкому азотированию в расплавленных цианистых солях.

Описание

Преимущества

По сравнению с цементацией, нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ.

При легировании аустенита азотом снижается температура α ↔ γ-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах.

Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените (табл. 1). С повышением температуры эффект ускорения уменьшается (табл. 1).

Таблица 1. Коэффициенты диффузии C и N при нитроцементации (Б. Прженосил)

Температура, °С
Нитроцементация
Цементация
DN·10−11, м2/c DC·10−11, м2/c DC·10−11, м2/c DC нитроцементации/DC цементации
850 0,3 0,38 0,17 2,24
900 0,6 0,75 0,38 1,97
950 1,08 1,17 0,87 1,38

Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930—950 °С) и нитроцементации (840—860 °С) на толщину 0,5—0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл при нитроцементации, по сравнению с цементацией, сокращается на 50—60 %.

Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.

Применение

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочнённого слоя 0,2—1,0 мм.

На ВАЗе 94,5 % деталей, упрочняемых химико-термической обработкой, подвергается нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс.

В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5—3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0—5,5 мм — 0,4 ± 0,1.

Оборудование

Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование — шахтные, камерные или проходные печи.

Это интересно: Нормализация стали — процесс, температура, режимы, время

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.

Преимущества нитроцементации перед цементацией

  1. Смещаются критические точки превращений к более низким температурам. Это позволяет снизить температуру процесса до 810-850оС.

    Такая температура, по сравнению с температурой цементации (910-1050оС) приводит к гораздо меньшим короблениям изделий;

  2. Из-за относительно невысоких температур процесса, аустенитное зерно при нитроцементации может вырастать гораздо меньше, чем при науглероживании в процессе цементации;
  3. Процесс нитроцементации в ряде случаев проходит гораздо быстрее, чем процесс цементации. При этом чаще всего, нет необходимости делать закалку с повторного нагрева, как при цементации.
Поделитесь в соц.сетях:

Источник: https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/nitrocementaciya-staley.html

Нитроцементация сталей

Нитроцементация — это процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. По сравнению с цементацией, нитроцементацию проводят при более низких температурах — 850-870 °С.

Это обусловлено тем, что азот, проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе Feγ и тем самым способствует науглероживанию стали при более низких температурах. По сути, азот, выполняя роль легирующего элемента, понижает критические точки стали.

Понижение температуры насыщения без увеличения длительности процесса позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей.

Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 3–15 % не отработанного природного газа и 2–10 % NН3 или жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С2Н5О)3N, который в виде капель вводят в рабочее пространство.

Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием углерода до 0,25 %. Продолжительность процесса 4–10 ч. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2–0,8 мм.

После нитроцементации следует закалка либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800–825 °С, либо после повторного нагрева; реже применяют ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160–180 °С.

Микроструктура нитроцементованной стали выглядит как показано на рисунке ниже.

Нитроцементация стали: цель, виды, технология

После насыщения структура нитроцементованного слоя состоит из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25–30 % остаточного аустенита. Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет 58–64 HRC.

Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость например, не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает бесшумность их движения.

Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементованного слоя углерода и азота.

Преимущества нитроцементации перед цементацией

  1. Смещаются критические точки превращений к более низким температурам. Это позволяет снизить температуру процесса до 810-850оС.

    Такая температура, по сравнению с температурой цементации (910-1050оС) приводит к гораздо меньшим короблениям изделий;

  2. Из-за относительно невысоких температур процесса, аустенитное зерно при нитроцементации может вырастать гораздо меньше, чем при науглероживании в процессе цементации;
  3. Процесс нитроцементации в ряде случаев проходит гораздо быстрее, чем процесс цементации. При этом чаще всего, нет необходимости делать закалку с повторного нагрева, как при цементации.

Низкотемпературная нитроцементация

В промышленности, для конструкционных и инструментальных сталей иногда применяют нитроцементацию при более низких температурах. Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 °С в течение полутора – трех часов в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака.

В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe3(N, C), обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000–11000 HV. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий.

Процесс рекомендуется проводить в качестве аналога жидкому азотированию в расплавленных цианистых солях.

Источник: https://HeatTreatment.ru/nitrocementaciya-stalej

Цианирование и нитроцементация стали: назначение и особенности технологии

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.

Рассматриваемые процессы предусматривают термическую обработку изделий, производимую в специальных газовых печах

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

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.

Преимущества и недостатки технологии

Процесс нитроцементации и цианирования, как уже отмечалось выше, осуществляется при относительно невысоких температурах, что способствует менее интенсивному износу используемого оборудования, а также не приводит к значительным деформациям обрабатываемых деталей. При этом выполнение технологических операций на таких режимах исключает необходимость охлаждать обрабатываемое изделие до низких температур.

После цианирования аустенитная структура стали становится более устойчивой, что улучшает прокаливаемость отдельных участков материала, которые были подвергнуты такой обработке. В частности, именно благодаря таким свойствам цианированного материала низколегированные стали можно закаливать в масле.

Нитроцементация и цианирование повышают твердость и контактную выносливость изделий

Остаточный аустенит, присутствующий в сталях, которые были подвергнуты цианированию, способствует улучшению таких характеристик материала, как:

  • прочность на изгиб;
  • ударная вязкость;
  • пластичность;
  • усталостная прочность.

Именно поэтому с помощью цианирования обрабатывают детали, которые в процессе своей эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам. Сюда, в частности, относятся валы и шестерни, сердцевина которых должна отличаться не только достаточной прочностью, но и достаточной вязкостью. Формирования именно таких характеристик и добиваются при цианировании.

Между тем выполнение цианирования имеет и ряд недостатков:

  • Величина поверхностного слоя стали, характеристики которого улучшаются в результате выполнения такой технологической операции, составляет всего семь-восемь десятых миллиметра.
  • При выполнении цианирования необходимо постоянно контролировать степень азотирования и науглероживания, которой обладает рабочая среда.

Источник: http://met-all.org/obrabotka/prochie/tsianirovanie-nitrotsementatsiya-stali.html

Цементация стали

Цементацией
называется процесс насыщения поверхностного
слоя стали углеродом. Различают два
основных вида цементации: твердую
углеродосодержащую смесь (карбюризаторы)
и газовую.

Целью цементации является
получение твердой износостойкой
поверхности, что достигается обогащением
поверхностного слоя углеродом до
концентрации 0,8 – 1,2 % и последующей
закалкой с низким отпуском.

Цементация
и последующая термическая обработка
одновременно повышают предел выносливости.

Для
цементации обычно используют
низкоуглеродистые стали 0,1 – 0,18 %. Для
крупногабаритных деталей применяют
стали с более высоким содержанием
углерода (0,2 – 0,3 %). Выбор таких сталей
необходим для того, чтобы сердцевина
изделия, не насыщающаяся углеродом при
цементации, сохраняла высокую вязкость
после закалки.

При
цементации в твердом карбюризаторе
изделия укладывают в ящики, засыпают
древесным углем.

При нагреве углерод
древесного угля, соединяясь с кислородом
воздуха, образует оксид углерода,
который, в свою очередь, взаимодействуя
с железом, дает атомарный углерод. Этот
активный углерод поглощается аустенитом
и диффундирует в глубь изделия.

Для
ускорения процесса цементации к
древесному углю (коксу) добавляют
активизаторы: углекислый барий (ВаСО3)
и кальцинированную соду (Na2CO3)
в количестве 10 – 40 % от массы угля.

Для
газовой
цементации
в качестве карбюризатора используют
природный газ, жидкие углеводороды
(керосин, бензин и т.д.) или контролируемые
атмосферы. При нагреве образуется
атомарный углерод:

  • 2COCO2
    +
    Cатом
  • или
  • CH4
    2
    H2
    +
    Cатом
    ;
    CатомFe
    (аустенит).
  • Газовая
    цементация – основной процесс при
    массовом производстве, а цементацию в
    твердом карбюризаторе используют в
    мелкосерийном производстве.
  • Глубина
    цементации в зависимости от назначения
    изделия и состава стали обычно находится
    в пределах 0,5-2,00 мм.

Цементацию
проводят при 910 – 930 , или для ускорения
процесса при 1000-1050. С повышением
температуры уменьшается время достижения
заданной глубины цементации.

Так при
газовой цементации науглероженный слой
толщиной 1,0 – 1,3 мм получают при 920 за 15
ч., а при 1000 – за 8 ч.

Чтобы предотвратить
сильный рост аустенитного зерна
высокотемпературной цементации
подвергают наследственно мелкозернистые
стали.

Концентрация
углерода в поверхностном слое изделия
обычно
составляет 0,8—1,0% и не достигает предела
растворимости
при температуре цементации.

Следовательно,
сетка
Fe3С
при
температуре
цементации не образуется, и поверхностный
слой, как и сердцевина, находится в
аустенитном
состоянии.

После медленного охлаждения
цементованный слой с переменной
концентрацией углерода состоит
из феррита и цементита и характеризуется
гаммой структур,
типичных для заэвтектоидной, эвтектоидной
и доэвтектоидной
стали (рис.
6).

Цементация
является промежуточной операцией, цель
которой
— обогащение поверхностного слоя
углеродом. Требуемое
упрочнение поверхностного слоя изделия
достигается
закалкой после цементации. Закалка
должна не только
упрочнить поверхностный слой, но и
исправить структуру
перегрева, возникающую из-за многочасовой
выдержки стали при
температуре
цементации.

Рис.
6. Изменение концентрации углерода по
глубине цементированного слоя (а) и
схема микроструктуры незакаленного
науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная;
2 – эвтектоидная; 3 – доэвтектоидная
зоны

После
цементации в твердом карбюризаторе
ответственные изделия подвергают
двойной закалке, так как
содержание углерода в сердцевине и на
поверхности изделия разное, а оптимальная
температура нагрева под закалку зависит
от содержания углерода в стали

Первую
закалку проводят с нагревом до 850—900°С
(выше точки Аз сердцевины изделия), чтобы
произошла полная перекристаллизация
с измельчением аустенитного зерна в
доэвтектоидной стали.

В углеродистой
стали из-за малой глубины прокаливаемости
сердцевина изделия после первой закалки
состоит из феррита и перлита. Вместо
первой закалки к углеродистой стали
можно применять нормализацию.

В прокаливающейся насквозь легированной
стали сердцевина изделия состоит из
низкоуглеродистого мартенсита. Такая
структура обеспечивает повышенную
прочность и достаточную вязкость
сердцевины.

После
первой закалки цементованный слой
оказывается перегретым и содержащим
повышенное количество остаточного
аустенита. Поэтому применяют вторую
закалку с температуры 700—780°С, оптимальной
для заэвтектоидных
сталей. После второй закалки поверхностный
слой состоит
из мелкоигольчатого высокоуглеродистого
мартенсита
и глобулярных включений вторичного
карбида.

При
газовой цементации чаще всего применяют
одну закалку с цементационного нагрева
после подстуживания изделия до 840—860
°С. Заключительной
операцией термической обработки
цементируемых изделий во всех случаях
является низкий отпуск при 160 – 180 0С
и переводящий мартенсит закалки в
поверхностном слое в отпущенный
мартенсит, снимающий напряжения.

Цементацию
широко применяют в машиностроении для
повышения твердости и износостойкости
изделий с сохранением высокой вязкости
их сердцевины. Удельный объем закаленного
науглероженного слоя больше, чем
сердцевины, и поэтому в нем возникают
значительные сжимающие напряжения.
Остаточные напряжения сжатия в
поверхностном
слое, достигающие 400—500 МПа, повышают
предел выносливости изделия.

Низкое
содержание углерода (0,08—0,25%)
обеспечивает
высокую вязкость сердцевины. Цементации
подвергают качественные стали 08, 10, 15 и
20 и легированные стали
12ХНЗА, 18ХГТ и др.

Твердость
поверхностного слоя для углеродистой
стали составляет 60 – 64 HRC,
а для легированной – 58 – 61 HRC;
снижение твердости объясняется
образованием повышенного количества
остаточного аустенита.

Источник: https://studfile.net/preview/2895666/page:4/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector