Высокотемпературное насыщение азотом и углеродом

Азот, диффундируя в сталь вместе с углеродом, ускоряет насыщение поверхности стали углеродом. Кроме того, азот – стабилизатор аустенита, точка Ас₃ при насыщении азотом понижается, поэтому процесс цианирования можно вести при более низкой (820-870⁰С) температуре, притом с такой же интенсивностью, как цементацию при более высокой (~ на 100⁰) температуре. Низкая температура приводит к меньшему короблению деталей и не вызывает сильного роста зерен, что упрощает последующую обработку.

В начале выдержки при высокотемпературном цианировании (нитроцементации) происходит одновременное насыщение азотом и углеродом. На второй стадии насыщение азотом прекращается, а углеродом продолжается. Равновесное содержание азота в слое зависит от температуры: чем выше температура, тем меньше концентрация азота в слое (при большем содержании углерода).

Температура высокотемпературного цианирования 820-950⁰С, при этом сталь, в основном, насыщается углеродом (0,6 – 1,2%). Количество азота в цианированном слое 0,2 – 0,6%, толщина слоя 0,15 – 2,00 мм. Изделия после цианирования должны подвергаться закалке и низкому отпуску. Если температура цианирования ≤ 850⁰С, то закалку проводят с температуры цианирования, если температура процесса > 850⁰С, то необходим повторный нагрев под закалку, при котором исправляется зерно.

Окончательная микроструктура после термообработки: на поверхности азотистый мартенсит с твердостью 63-65НRC, иногда есть тонкий слой карбонитридов Fe₂(CN), Fe₃(CN).

Высокотемпературному цианированию подвергают среднеуглеродистые и малоуглеродистые стали, чаще легированные (40Х, 25ХГТ, 25ХГМ). Глубокое газовое цианирование при температурах 900-950⁰Сосуществляют в среде с минимальным количеством аммиака, сталь насыщается, в основном, углеродом. Этот процесс называют карбонитрированием и проводят вместо цементации.

К преимуществам высокотемпературной нитроцементации (цианирования) следует отнести: более низкую температуру процесса при одинаковой или большей скорости процесса; меньшее коробление и деформацию деталей, более высокую твердость, износостойкость, красностойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость. Жидкое высокотемпературное цианирование более производительный, но более дорогой процесс из-за высокой стоимости химикатов: если за 100% принять стоимость процесса газовой цементации, то стоимость цианирования составляет 134%, а нитроцементации 69,5%. К недостаткам высокотемпературного жидкого цианирования относится сложность регулирования состава ванн и высокую токсичность.

Низкотемпературное цианирование и нитроцементация проводится при температуре 550-600⁰С в течение 1,5-3 часов и сопровождается преимущественным насыщением стали азотом, но по сравнению с азотированием процесс является более производительным. Низкотемпературному цианированию подвергают, главным образом, инструмент из быстрорежущей или высокохромистой стали, а также детали из среднеуглеродистых сталей.

Особенно широко этот процесс применяется для инструмента из быстрорежущей стали. Образуется поверхностный слой толщиной 0,02 – 0,04 мм с твердостью 900-1200 HV (65-72 HRC), благодаря чему износостойкость инструмента повышается в 1,5-2 раза. Высокая твердость возникает за счет образования карбонитридного слоя Fe(N,C), обладающего хорошим сопротивлением износу и менее хрупкого, чем чистые карбиды или нитриды. После каждой переточки процесс цианирования (нитроцементации) приходится повторить.