Цианирование стали

Что такое цианирование

Процедурой цианирования называют насыщение поверхности разных металлических сплавов одновременно углеродом и азотом. В зависимости от использования основных материалов процессы могут называться совершенно по-разному. Если поверхность обрабатывается под воздействием газов, то такая процедура называется нитроцементацией. Цианирование предполагает обработку металла с использованием расплавленных солей. Чаще всего для этих целей используют цианистый натрий либо кальций. В больших электрованнах смесь расплавляется и ее температура поддерживается на протяжение всей процедуры.

Польза

Цианирование стали достаточно распространенная процедура, которая используется для улучшения свойств изделий, использующихся в различных сферах промышленности. Благодаря обработке можно достигнуть:

• повышения износостойкости поверхности детали;
• увеличения твердости;
• повышения уровня выносливости металла, при возникновении различных повреждений деталь сохранит свой функционал.

На цианированных поверхностях отмечается меньшее налипание материала, из-за чего снижается коэффициент трения при попадании стружки в механизмы. В среднем стойкость цианированных инструментов увеличивается в 1,5-2 раза. Целей проведения цианирования может быть очень много, а благодаря тщательно выверенному технологическому процессу большинство из них можно достаточно легко достигнуть.

Особенности процедуры

Цианирование выполняется на сталях различных марок, в том числе и на нержавейке. В зависимости от температурного режима, который соблюдался во время самой процедуры, улучшаются прочностные и эксплуатационные характеристики деталей. В зависимости от целей могут подбираться способы цианирования, а также состав смесей. Неправильный подбор технологии может стать причиной изменений отдельных характеристик в худшую сторону.

Структурные изменения в металле

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.

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.

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.

Цементация стали

Цементацией называют процесс, позволяющий насытить стальную конструкцию углеродом. Сердцевина остается мягкой, однако, благодаря слою покрытия прочность поверхности повышается. В процессе использования такие детали не подвергаются воздействию извне, не деформируются от ударов и не стираются.

Цементации подвергают элементы, выполненные из углеродистой либо легированной стали, содержание углерода в которой не менее 0,08% и не более 0,35%. Для цементации используют составы, богатые углеродом. Их называют карбюризаторами. Такие составы могут быть жидкими, твердыми и даже газообразными.

Цементация сталей происходит через нагрев деталей, предварительно упакованных в изготовленные из железа ящики, туда же помещается карбюризатор. Твердое вещество состоит из 70% древесного угля, 20–25% углекислого бария, а оставшаяся часть – углекислый кальций (3–5%).

Цементация осуществляется при температуре в 920–930 ОС, этот показатель позволяет сделать процесс максимально быстрым. Обогащение слоя стали происходит, когда частицы угля соприкасаются с поверхностью элемента. Передатчик углерода в данной ситуации – газовая среда. Правильно организованная цементация поверхностного слоя стальной детали продолжается от 5 до 14–15 часов.

Цементации в жидкой среде принято подвергать изделия небольшого размера, выполненные из углеродистой или легированной стали. Их на некоторое время опускают в соляные ванны, которые содержат расплавленные вещества:

• соду,
• поваренную соль,
• карбид кремния.

Газовая цементация

Суть газовой цементации в том, что деталь из легированной стали сначала необходимо нагреть, а затем прокалить в печи, температура в которой составляет от 920 до 950 ОС. В камеру печи на протяжении всего периода цементации подают газ с содержанием метана.

При использовании данного метода продолжительность цементации стальной детали уменьшается в несколько раз. Так, глубина слоя цементирования в 1,2 м может быть зафиксирована уже после 4–5 часов нахождения детали в газовой камере.

Газовая цементация сталей обладает явными преимуществами по сравнению с первыми двумя способами:

• возможность регулировки процесса посредством изменения количественного и качественного состава газа,
• отсутствие габаритного оборудования,
• относительная чистота процесса, отсутствие угольной пыли,
• возможность проводить закалку стали непосредственно в камере печи.

Газовая цементация достаточно экономична в сравнении с использованием твердых и жидких карбюризаторов.

Азотирование стали

При азотировании поверхностный слой стальной детали насыщают кислородом. Промышленное применение данный способ получил практически 100 лет назад, в 20-е годы XX века. Азотирование детали – это отличный способ повысить не только твердость изделия, но и его коррозионную стойкость.

Азотирование стали осуществляется посредством погружения детали в печи, которые герметично закрывают. Туда подают аммиак, который при нагреве распадается на азот и водород. В процессе данной реакции атомы азота поглощаются слоем поверхности стали и проникают внутрь детали.

Насколько глубоким и прочным окажется слой, подверженный азотированию, сказать сложно. Этот фактор зависит от многих деталей:

• температура, при которой осуществлялось азотирование;
• продолжительность обработки детали;
• состав стали, которую подвергли азотированию.

Способ химико-термической обработки

Описываемая процедура не позволяет достигать нескольких целей одновременно, в отличие от цементации. Выделяют два вида азотирования.

Повышение прочности слоя поверхности стальной детали. Температура процесса – до 560 ОС, средняя толщина слоя – 0,5 мм. Продолжительность операции может достигать одних суток.

Повышение степени устойчивости к коррозии. Оптимальная температура – от 650 до 700 ОС. Продолжаться антикоррозийное азотирование может до 10 часов. Толщина слоя, образующегося в процессе – 0,3 мм.

Процесс азотирования стали могут проходить только полностью готовые изделия, которые прошли через этапы термической и механической обработки. Структура сорбита внутри изделия сохранена полностью, что обеспечивает повышение прочности и вязкости детали.

Этапы нитроцементации

Процесс нитроцементации включает два этапа:

• углеродно-азотное насыщение поверхностного слоя металла полтора-два часа;
• последующее углеродное насыщение верхних слоев стали с десорбцией части атомов азота.

После завершения процесса металлическое изделие обладает необходимыми свойствами: прочностью на изгиб, пониженной чувствительностью к напряжениям, пластичностью. Кроме того, нитроцементованные поверхности получают коррозийную стойкость и высокую твердость.

Для деталей, которые прошли нитроцементацию, обязателен контроль: обычный осмотр с выявлением видимых следов окисления, закоксовывания, бурого налета, также физических дефектов (сколов, забоин и пр.); выборочный контроль полученной твердости при помощи приборов Супер-Роквелла или Виккерса; выборочный контроль хрупкости обработанного слоя при помощи прибора Роквелла. Обычно проверяют образцы, изготовленные из того же материала, что и обрабатываемые детали. Эти образцы должны вместе с деталями проходить термическую обработку и нитроцементацию.

Нужно провести и контроль состава отходящих из печи газов (провести химический анализ); проверить расход газа реометрами; проверить расход карбюризаторов и триэтаноламина.

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

Это интересно: Все о цементации металла на примере стали

Суть технологии

Цианированием называют один из видов химико-термической обработки стали. Суть данного метода состоит в насыщении металлических поверхностей азотом и углеродом в температурном диапазоне от 530 до 950°С. По технологии это напоминает совмещение азотирования и цементации.

Рассматриваемый метод используется для сталей различных типов. Так, осуществляют цианирование нержавеющей стали, легированной, высокохромистой, с различным содержанием углерода, без легирующих добавок, конструкционной, быстрорежущей.

Цель цианирования состоит в улучшении свойств металла. Так, данная технология обработки повышает твердость, предел выносливости, износостойкость материала. Принцип цианирования основан на диффузии в структуру материала углерода и азота.

Данный процесс включает две стадии:

Ход рассматриваемого процесса определяется температурным режимом. Так, в диффузионном верхнем слое при возрастании температуры сокращается содержание азота, и увеличивается количество углерода, причем непрерывно либо до конкретного момента. На последних стадиях операции концентрация азота начинает сокращаться. Вследствие этого возможна фиксация насыщения данным элементом верхнего слоя стали при различных температурах. Сокращение содержания азота и повышение концентрации углерода при возрастании температуры происходит линейно. Однако это актуально лишь для верхнего слоя материала, а в нижележащих данная закономерность не наблюдается.

Величина насыщения также значительно зависит от науглероживающих параметров среды, в которой осуществляется цианирование металла.

Кроме того, на особенности совместной диффузии воздействует количество азота, определяющее глубину распространения диффузии углерода и величину насыщения им слоя. Чрезмерное содержание азота может повлечь недостаточную скорость диффузии углерода. Это объясняется способствованием азота формированию карбонитридных образований на поверхности.

Глубина проникновения обоих элементов в сталь определяется ее микроструктурой. Однако в любом случае азот проникает на большую глубину, чем углерод.

Таким образом, результат работ определяется несколькими факторами. К ним относятся температура нагрева, концентрация азота и углерода, свойства среды и материала.

Поточный агрегат для цианирования

В результате на поверхности стали формируется двухслойное покрытие. Сверху расположен карбонитридный слой (Fe2(C, N)) толщиной 10 — 15 мкм. Он характеризуется высокой износостойкостью и меньшей хрупкостью в сравнении с чистыми нитридами и карбидами. Нижележащий слой представлен азотистым твердым ферритом (мартенситом). Общая толщина — 0,15 — 2 мм.

Нитроцементация это насыщение поверхностного слоя металла

Цементация стали — разновидность химико-термической обработки, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя изделий из низкоуглеродистой стали (0,1—0,2% С) углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель Ц. — повышение твёрдости и износостойкости поверхности, что достигается обогащением поверхностного слоя углеродом (до 0,8—1,2%) и последующей закалкой с низким отпуском. Глубина цементованного слоя 0,5—1,5 мм (реже больше); концентрация углерода в слое убывает от поверхности к сердцевине изделия. Ц. и последующая термическая обработка повышают предел выносливости металла и понижают чувствительность его к концентраторам напряжения. Различают Ц. твёрдыми углеродсодержащими смесями (карбюризаторами) и газовую Ц. На заводах массового производства обычно применяют газовую Ц., при которой легче регулируется концентрация углерода в слое, сокращается длительность процесса, обеспечивается возможность полной его механизации и автоматизации, упрощается последующая термическая обработка.

Нитроцементация сталей процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температурой насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С.

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

Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного 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.

Билет №12

1. Эвтектоидное (перлитное) превращение в системе «железо-углерод».

По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного: A0,83 -> эвт. (Ф + Цп)

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

2. Химико – термическая обработка стали.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали. Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой, в которой осуществляется нагрев. В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура, Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации

,адсорбции, диффузии.Диссоциация

– получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция

– захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия –

перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются: цементация

(насыщение поверхностного слоя углеродом);азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

нитроцементация или цианирование

(насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

Нагрев заготовки

Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз.

Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются.

Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке.

Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой.

Заготовки из углеродистой стали с сечением до 100 мм можно быстро нагревать и потому их кладут холодными, без предварительного прогрева, в печь, где температура 1300°С. Во избежание появлений трещин высоколегированные и высокоуглеродистые стали необходимо нагревать медленно.

Преимущества и недостатки обработки

Положительная сторона цианирования — весь процесс происходит при относительно невысоких температурах. Это позволяет не изнашивать используемое оборудование и предотвращать возникновение деформаций в обрабатываемых деталях.

После обработки структура отличается большей устойчивостью к различным повреждениям. Именно обработка при помощи цианирования позволяет в дальнейшем применять способ закаливания низколегированных сталей в масле. Остаточный аустенит, который присутствует в изделиях из стали, подвергшихся цианированию, обеспечивает улучшение параметров по следующим характеристикам:

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

Именно благодаря этим характеристикам цианированию могут подвергаться детали, которые в дальнейшем будут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок.

Один из главных недостатков цианирования — после сложной обработки защитный слой может составлять всего 0,7-0,8 миллиметров

Так как в процессе работы используется азотированная и науглероживанная атмосфера, что очень важно контролировать количество этих материалов в воздухе, а также при необходимости проветривать помещение

Сульфоцианирование

Данная обработка в большей степени напоминает процесс цианирования. Поверхность насыщается не только углеродом и азотом, но также и серой. Сульфоцианированные детали в большей степени обладают такими же характеристиками как и цианированные. Лучше всего сульфоцианированные детали показали себя в механизмах на средних нагрузках. Благодаря немного другой схеме цианирования предупреждается схватывание и наволакивание металла.

Нормальная температура плавления смеси составляет 560-580 градусов. Обработку стальных сплавов проводят преимущественно в жидких средах, но также возможно и в газовых. Так как сульфоцианированные детали обладают чуть большей прочностью, то их использование оправданно в качестве поршневых колец, чугунных втулок, разнообразных запчастей насоса.

История

В 1783 году Карл Вильгельм Шееле обнаружил, что золото растворяется в водных растворах цианида. Благодаря работам Багратиона (1844 г.), Эльснера (1846 г.) и Фарадея (1847 г.) было определено, что для каждого атома золота требуется один цианид-ион, то есть стехиометрия растворимого соединения.

Промышленный процесс

Джон Стюарт Макартур разработал цианидный процесс для извлечения золота в 1887 году.

Расширение добычи золота в Рэнде Южной Африки начало замедляться в 1880 – х годах, так как новые месторождения были обнаружено , как правило, колчеданные руды . Золото не могло быть извлечено из этого соединения ни одним из доступных тогда химических процессов или технологий. В 1887 году Джон Стюарт Макартур , работая в сотрудничестве с братьями Робертом и Уильямом Форрестами для компании Tennant в Глазго , Шотландия, разработал процесс Макартура-Форреста для извлечения золота из золотых руд. В том же году было выдано несколько патентов. Путем суспендирования измельченной руды в растворе цианида было достигнуто разделение до 96% чистого золота. Впервые этот процесс был использован на Rand в 1890 году и, несмотря на эксплуатационные недостатки, привел к буму инвестиций по мере открытия более крупных золотых приисков.

К 1891 году фармацевт из Небраски Гилберт С. Пейтон усовершенствовал процесс на своем руднике Меркур в Юте, «первом горнодобывающем предприятии в Соединенных Штатах, добившемся коммерческого успеха процесса цианида на золотых рудах». В 1896 году Бодлендер подтвердил, что для этого процесса необходим кислород, в чем сомневался МакАртур, и обнаружил, что перекись водорода образуется в качестве промежуточного продукта. Примерно в 1900 году американский металлург Чарльз Вашингтон Меррилл (1869-1956) и его инженер Томас Беннетт Кроу улучшили очистку цианидного фильтрата с помощью вакуума и цинковой пыли. Их процесс – это процесс Меррилла – Кроу .

Суть технологии

Цианирование (часто употребляется также термин «нитроцементация») проходит на двух температурных уровнях:

1. Выше точки А₁, т.е., в области температур существования γ-твёрдого раствора углерода и азота в железе, которое имеет ГЦК-решётку.
2. Ниже точки А₁, т.е., в области температур существования α- твёрдого раствора углерода и азота в железе, имеющем ОЦК-решётку.

Процесс ведётся при температурном диапазоне 840…900С. Активная газовая среда состоит из предварительно подготовленного эндотермического газа и аммиака (или триэтаноламина). Введение в атмосферу цементующего газа небольшого количества аммиака (от 2 до 5 %) существенно изменяет процесс, состав и структурное состояние диффузионной зоны в металле. В результате диффузии углерода и азота в поверхностном слое образуется углеродо-азотистый твёрдый раствор раствор γ-железа с ГЦК-структурой. При последующей закалке он превращается в углеродоазотистый мартенсит, обладающий более высоким сопротивлением износу и меньшим значением коэффициента трения, чем обычный углеродистый мартенсит. Износостойкость такого слоя на 40…60 % превосходит износостойкость обычного цементованного слоя.

Преимущество углеродоазотистого мартенсита настолько велико, что в ряде отраслей машиностроительного производства процесс нитроцементации полностью вытеснил технологию газовой цементации.