Ціанування (нітроцементація) сталі

Азотування сталі

Азотуванням називають процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі азотом. Вперше був здійснений в 1913 р. М.П. Чижевським.

Азотування проводять для підвищення твердості, стійкості до зношення, границі витривалості і корозійної стійкості стальних виробів. Його перевагами перед цементацією є:

1) вища твердість азотованого шару(до1200HV);

2) вища теплостійкість азотованого шару – його твердість зберігається до 450...500 ⁰С;

3) вища корозійна стійкість азотованого шару.

Азотування проводять у герметичних камерах при температурі 500...600 ⁰С, в які з певною швидкістю подається аміак. Аміак при цьому розкладається за реакцією:

NH3→Nат+3/2Н2. (8.11)

Атомарний азот абсорбується поверхнею стальних деталей і дифундує вглиб металу.

У системі Fe – N можливо утворення таких фаз:

ε– фаза – твердий розчин азоту на базі нітриду Fе3N;

γ– фаза – твердий розчин на базі нітриду Fe4N;

α- азотистий ферит з максимальним вмістом 0,42% N при 590 ⁰ С і 0,01% N при 20 ⁰С;

γ- фаза – азотистий аустеніт, який при температурі 590 ⁰С розкладається на евтектоїдну суміш α+γ '.

Структура азотованого шару складається із механічної суміші твердих розчинів на основі нітридів Fe4N і Fe3N. Під цим шаром розміщується азотистий ферит. При наявності в сталі легуючих елементів азот також утворює нітриди: CrN, Cr2N, Mo2N, MnN, TiN, AlN, VN. Утворення дисперсних нітридів легуючих елементів перешкоджає руху дислокацій і внаслідок цього підвищують твердість азотованого шару. Найбільш сильно підвищують твердість азотованого шару алюміній, хром, молібден, ванадій. Тому, при необхідності забезпечення високої твердості і стійкості до зношення азотованої деталі, для її виготовлення застосовують середньовуглецеву сталь 38Х2МЮА. Одночасна присутність в даній сталі хрому, молібдену і алюмінію забезпечує твердість після азотування до 1200 HV. Молібден також усуває відпускну крихкість, яка може виникати при повільному охолодженні від температури азотування.

Азотування – дуже повільний процес, який триває, звичайно, до 60 год. Для прискорення процесу застосовують ступінчасте азотування, іонне азотування, азотування в рідких середовищах складу 40 % КСNO + 60 % NaCN (теніфер-процес) тощо.

Азотують циліндри двигунів, насосів, шестерні, копіри верстатів, втулки, клапани двигунів внутрішнього згоряння, матриці і пуансони штампів. Недоліком азотування є крихкість азотованого шару.

Ціануванням називають процес дифузійного насичення поверхневого шару стальних деталей одночасно вуглецем і азотом. Ціанування застосовують для підвищення поверхневої твердості, стійкості до зношення і втомленісної міцності стальних деталей, а також корозійної стійкості. Найчастіше ціанування проводять в розплавлених солях, що містять ціанисті солі (наприклад, NaCN), і в газовому середовищі, яке містить вуглець і азот. Процес газового ціанування називають ще нітроцементацією.

Рідке ціанування, в залежності від температури процесу, поділяється на низько-, середньо- та високотемпературне.

Низькотемпературне ціанування проводять при низьких температурах (560...600 ⁰С), що призводить до насичення поверхні деталі переважно азотом. Але цей процес продуктивніший, ніж азотування сталі. Такому ціануванню піддають різальні інструменти з швидкорізальних і високохромистих сталей для підвищення їх стійкості до зношення, що забезпечується утворенням дисперсних нітридів.

Середньотемпературне ціанування проводять в розплавлених солях, що містять ціанистий натрій. Температура процесу 820...860 ⁰С, а тривалість для отримання шару завтовшки 0,15...0,35 мм. становить 30...90 хв. Процес здійснюють у ваннах з таким складом: 20...25 % NaCN, 25...50 % NaCl, 25... 50 % Na2CO3. При ціануванні відбуваються такі хімічні процеси:

2NaCN + O2 → 2NaCNO; (8.12)

2NaCNO + O2 → Na2CO3 + CO + 2Naт; (8.13)

2CO → CO2 + Cат; (8.14)

Атомарні вуглець і азот, що виділяються в результаті цих процесів, абсорбуються поверхнею деталі та дифундують вглиб металу.

Ціанований шар, який отримується при середньотемпературному ціануванні, містить 0,7% С і 0,8...1,2 % N.

Після ціанування проводять гартування безпосередньо з ціанистої ванни і низьке відпускання з нагрівом до температури 180...200 ⁰С. Твердість ціанованого шару після цього становить HRC 58…62.

Високотемпературне ціанування проводять для отримання шару більшої товщини (0,5...2,0 мм.). Процес здійснюють при 930...950 ⁰С у ванні складу 8 % NaCN, 82 % BaCl2 і 10 % NaCl, яку покривають шаром графіту для зменшення теплових втрат і вигорання ціанистих солей. Тривалість процесу - 1,5...6 год.

При такому ціануванні у ванні відбуваються такі реакції:

BaCl2 + 2NaCN → 2NaCl + Ba(CN) 2; (8.15)

Ba(CN) 2 → BaCN2 + Cат; (8.16)

BaCN2 + O2 → BaO + CO + 2Nат.; (8.17)

Активні атоми вуглецю та азоту, що утворюються в результаті реакцій, абсорбуються поверхнею деталі та дифундують вглиб металу, утворюючи ціанований шар. Вміст вуглецю на поверхні деталі після обробки становить 0,8...1,2 %, азоту – 0,2...0,3 %.

Після високотемпературного ціанування деталі охолоджують на повітрі, потім піддають гартуванню і низькотемпературному відпусканню.

Ціанування має такі основні переваги над цементацією:

1) менша тривалість процесу;

2) менша деформація і жолоблення деталей складної форми;

3) вища стійкість до зношення і корозії.

Але цей процес має недоліки - високу вартість і отруйність ціанистих солей.

Нітроцементація – це процес дифузійного насичення поверхневого шару стальних деталей одночасно вуглецем і азотом із газоподібного середовища, яке складається з навуглецьовувального газу (80...90 %) і аміаку (20...10 %). Процес проводять при 840...860 ⁰С протягом 4...10 год. Основне призначення нітроцементації – підвищення твердості, стійкості до зношення та границі витривалості стальних виробів.

При одночасному насиченні сталі вуглецем і азотом прискорюється дифузія вуглецю.

Після нітроцементації звичайно проводять гартування безпосередньо з печі та низьке відпускання при 160...180 ⁰С. Твердість шару після обробки становить 58...60 HRC (570...690 HV).

Товщина нітроцементованого шару становить 200...800 мкм, але не повинна перевищувати 1000 мкм. Адже при більшій товщині виникають дефекти, які знижують механічні властивості дифузійного шару.

Оптимальний сумарний вміст вуглецю і азоту залежить від марки сталі і становить 1,0...1,65 %, при цьому вміст азоту повинен бути від 0,1... 0,15 % до 0,4... 0,5%.

Нітроцементації піддають звичайно деталі складної форми, які схильні до жолоблення. Перевагами нітроцементації перед газовою цементацією є:

1) більш низька температура процесу;

2) менші деформації і жолоблення деталей;

3) вищий опір спрацюванню і корозії;

4) менша товщина шару;

5) менша тривалість процесу.

Дата добавления: 2014-11-29