Цианирование и нитроцементация.

Цианированием называется ХТО, при которой поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом. Цианированный слой обладает высокой твердостью, сопротивлением износу. Повышаются также усталостная прочность и коррозионная стойкость. Основными характеристиками физико-химического состояния упрочненного при цианировании поверхностного слоя являются твердость, толщина, а также зафиксированные значения концентраций углерода и азота. На эти характеристики особое влияние оказывает температура процесса (при повышении температуры содержание углерода в поверхностном слое растет, а при ее снижении - увеличивается концентрация азота). Так как цианирование является по сути дела суперпозицией цементации и азотирования, то можно сказать, что при ысокой температуре процесс больше приближается к цементации, а при низкой - к азотированию, поэтому цианирование разделяют на высокотемпературное (800 - 950 °С) и низкотемпературное (500 - 600 °С).Совместная диффузии углерода и азота происходит быстрее, чем каждого из этих элементов в отдельности, поэтому продолжительность цианирования обычно 0,5—2 ч.

При высокотемпературном цианировании поверхность насыщается больше углеродом, чем азотом, т.е. этот процесс приближается к цементации. После такого цианировании изделия подвергают закалке с низким отпуском. Поверхностный слой после глубокого цианирования содержит 0,8 - 1,2% С и 0,2—0,3% N.

Низкотемпературному цианированию подвергают детали, уже прошедшие термическую обработку, как и при азотировании. При таком цианировании поверхность насыщается главным образом азотом, глубина слоя составляет 0,015—0,03 мм.

По аналогии с цементацией цианирование подразделяют на жидкое и газовое, газовое цианирование называют нитроцементацией.

Жидкое цианирование, обеспечивающее высокую производительность, наиболее часто используют для обработки сталей. Его проводят в расплавленных цианистых солях, являющихся поставщиками активных атомов углерода и азота, например Na(CN) или Ca(CN)₂.

Низкотемпературному цианированию подвергают режущий инструмент из быстрорежущей стали (фрезы, метчики, сверла, зенкеры), а также углеродистые стали. Сущность процесса цианирования углеродистых сталей состоит в насыщении сталей азотом и углеродом, которое осуществляется в цианистых солях (40 % KCN + 60 % NaCN) при пропускании сухого воздуха. В результате такой обработки, которая реализуется при 570 °С в течение 0,5 - 3 ч, на поверхности детали формируется тонкий (10 - 15 мкм) карбонитридный слой Fe₃(CN), менее хрупкий, чем чистые карбиды и нитриды (Fe₃C и Fe₃N) и в то же время обладающий хорошим сопротивлением износу. Между этим слоем и матрицей образуется подслой азотистого твердого феррита (на легированных сталях твердость достигает 600 - 1000 HV) толщиной 200 - 500 мкм.

Высокотемпературное цианирование применяют для обработки простых и легированных средне- и низкоуглеродистых сталей. Насыщение обычно проводят в расплавленных солях следующих составов: 40 % NaCN, 40 % NaCl, 20 % Na₂CO₃ (температура расплава 820 - 850 °С) или 6 % NaCN, 80 % BaCl₂, 14 % NaCl (900 - 950 °C). Увеличение содержания цианистых солей способствует повышению концентрации С и N в поверхностном слое. Толщина модифицированной зоны d зависит от состава расплава, температуры и продолжительности t процесса. Средняя скорость высокотемпературной нитроцементации составляет 80 - 100 мкм/ч. Для конструкционных сталей d = 15 - 500 мкм, а твердость превышает HRС_э 58 (для быстрорежущих сталей - 10 - 60 мкм и HRС_э 60 - 72 соответственно). Цианированный слой по сравнению с цементированным обладает большей твердостью и более высоким сопротивлением износу и коррозии.

Главный недостаток жидкостного цианирования — ядовитость цианистых солей. Этого недостатка нет при газовом цианировании.

Нитроцементация -газовое цианирование проводят в газовых смесях, содержащих 70—80% цементирующего газа и 20—30% аммиака. Состав газа и температура определяют соотношение углерода и азота в цианированном слое. Глубина слоя зависит от температуры процесса и продолжительности выдержки.

По сравнению с газовой цементацией нитроцементания имеет ряд преимуществ: меньше деформация и коробление изделий, больше сопротивление износу и коррозионная стойкость.

Нитроцементация осуществляется следующим образом: в контейнер загружается карбюризатор, в состав которого входят цианистые и углекислые соли (например 30- 40% K₄Fe(CN)₆, 10 % Nа₂CO₃ и древесный уголь), которые, при нагревании разлагаются с выделением CO₂ и азота. Процесс насыщения может лимитироваться кинетикой химических реакций, доставкой CO₂и азота к поверхности детали или диффузией C и N в матрицу, поэтому производительность такого способа невысока.

Обработку деталей производят в среде науглероживающих и азотирующих газов (например, аммиак 2 – 6 % с пропаном или светильным газом). 208-214 c.[5].

Лекция 18. Химико-термическая обработка с использованием высокочастотного нагрева.

Пути повышения производительности ХТО и решения сопутствующих проблем.

Опыты по изучению влияния повышенних температур по сравнению с обычными на скорость цементации, а также на строение и свойства цементованного слоя и сердце­вины показали возможность весьма существенного ускорения процесса цементации при повышении температуры. Результаты таких опытов достаточно хорошо подтверждают теоретические данные о влиянии температуры на процесс диффузии. Коэффициент диффузии углерода в аустените при повышении температуры от 900 до 1000 °С возрастает примерно в 3 раза, а при повышении температуры от 900 до 1100 °С — в 9 раз. При достаточно быстром насыщении поверхности это соответствует уменьшению длительности процесса для получения определенного заданного слоя соответственно в 3 и 9 раз.

Однако, несмотря на резкое сокращение длительности процесса цементации при повышении температуры большинство заводов ведут процесс цементации при температурах 900—950 °С. К факторам, препятствующим применению более высоких температур цементации, относятся: сильно увеличенные расходы жароупорных сталей на ящики, муфели, корзины и нагреватели; увеличение деформации деталей; рост зерен и связанное с этим снижение механических свойств цементованного слоя и сердце­вины; чрезмерное насыщение поверхности углеродом, приводя­щее к образованию цементитной сетки.

В ряде работ показаны возможные пути борьбы с ухудшением структуры и свойствами стали при высоких температурах цемента­ции. Более мелкая структура и соответствующие высокие механиче­ские свойства цементованного слоя и сердцевины могут быть получены при высокотемпературной цементации в случае приме­нения природных мелкозернистых сталей и, в частности сталей, содержащих элементы, препятствующие росту зерен аустенита: титана, ниобия, циркония, ванадия, молибдена. Очень сильное воздействие на строение и свойства изделий, прошедших высоко­температурную цементацию, оказывает последующай термиче­ская обработка. При правильно выбранном режиме последующей закалки или нормализации можно почти полностью исправить структуру и механические свойства любой стали после высоко­температурной цементации. Борьба с чрезмерным насыщением поверхности углеродом и цементитной сеткой при высокотемпературной цементации воз­можна за счет правильного подбора менее активных карбюризаторов.

Важнейшими препятствиями для применения высокотемпера­турной цементации в печах остаются резкое увеличение расхода жароупорных сталей и увеличение деформации деталей. Высоко­частотный нагрев цементуемых изделий в керамических тиглях или ретортах дает возможность использовать высокие темпера­туры, не применяя жароупорных сталей.

ХТО с применением высокочастотного нагрева позволяет ускорить и усовершенствовать процессы химико-термической обработки. Прежде всего удается сократить период нагрева с нескольких часов до нескольких минут или даже секунд. Облегчается возмож­ность повышения температуры процессов вследствие генерирова­ния теплоты в изделиях, за счет чего длительность обработки может быть резко сокращена. В условиях высокочастотного на­грева можно обойтись без использования дорогих контейнеров и нагревателей из высоколегированной жароупорной стали, обес­печить разложение насыщающих элементов непосредственно на поверхности изделий.

Ускорение процессов в боль­шинстве случаев является следствием повышения температуры и уменьшения времени нагрева до заданной температуры; иногда это связано с изменением условий поглощения поверхностью насыщающих элементов.