Palitra21.ru

Домашний уют — журнал
19 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Нитроцементация стали — цель, виды, технология

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

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

Виды цианирования

  • 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.

Низкотемпературное цианирование

Метод жидкостного цементирования цианистыми солями считается одним из самых вредных для здоровья, так как соли натрия представляют собой сильное ядовитое вещество.

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.

Атомы азота насыщают обрабатываемую деталь глубже углерода.

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.

Читать еще:  Браковка текстильных стропов нормы и правила

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.

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.

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.

2 Единовременная диффузия азота и углерода в сталь и ее основные особенности

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.

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.

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.

Читать еще:  Способы, плюсы и минусы самостоятельной добычи золота

Цианирование стали

Этот вид обработки основывается на применении цианистых соединений для процесса цементирования. Так как в группе циана(ОЧ) присутствуют атомы углерода и азота, то при разложении цианистых соединений может производиться цементирование железа обоими элементами. В связи с этим уже давно было отмечено сильное влияние цианистых солей при цементировании ими железа.

Такой способ цементирования расплавленной железо-синеродистой солью K4Fe (CN)6 применялся в практике уже давно под названием жидкой цементации, причем раньше оставалось невыясненным влияние азота, и процесс относили к виду цементирования углеродом.

В настоящее время,, учитывая специфическое влияние обоих элементов, обработку цианистыми соединениями выделяют в особый вид под названием цианирование, которое разделяют, в свою очередь, на жидкое и газовое (сухое).

Жидкое цианирование производится в ванне с расплавленными нейтральными солями (Na2C03, NaCl и т. п.), содержащими в растворе цианистые соли NaCN, Ca(CN)2, CaCN2 (цианамид кальция), K4Fe (СН) и др.

В зависимости от температуры процесса различают:

1. Низкотемпературное цианирование, производящееся при 550-600° в почти чистых расплавленных цианистых солях (NaCN + KCN); применяется главным образом к быстрорежущим сталям для повышения их стойкости в работе.

2. Высокотемпературное цианирование, осуществляемое при 800-850° в ванне с концентрацией цианистых солей 20-40%; применяется как простое цементирование углеродом для повышения твердости и стойкости поверхности.

По сравнению со способами твердого и газового цементирования высокотемпературное цианирование отличается значительно большей скоростью процесса: продолжительность от 5 мин. и не более 1 часа. Благодаря этому, а также сравнительно низкой температуре изделие закаливается непосредственно из ванны и имеет хороший вид поверхности.

Иногда жидкую ванну активизируют разными добавками (например, NH3) в целях интенсификации процесса.

Все виды жидкого цианирования дают обычно резкое цементирование углеродом совместно с азотом, причем роль последнего становится тем больше, чем ниже температура ванны. Цианированный слой стали отличается твердостью и высоким сопротивлением износу.

Недостатками этой операции являются: потеря дорогостоящих цианистых солей от разбрызгивания и улетучивания и опасность работы с ними ядовиты.

Газовое цианирование (нитроцементирование). Этот способ отличается от газового цементирования тем, что к цементирующему газу добавляется аммиак, дающий активированные атомы азота, которые вызывают дополнительное азотирование металла и, кроме того, ускоряют диффузию углерода. В связи с тем, какой из процессов должен преобладать, применяют два вида газового цианирования, называемого нитроцемеитацией.

1. Низкотемпературное цианирование, производящееся при 500-700°, когда получается преимущественно диффузия азота с образованием нитридов, но с некоторым количеством продиффундировавшего углерода (поскольку диффузия последнего ускоряется и температура ее снижается от присутствия азота).

Этот способ, так же как низкотемпературное жидкое цианирование, широко применяется для повышения стойкости быстрорежущих инструментов.

2. Высокотемпературное цианирование, производящееся при 800-850°. Здесь преобладает цементирование углеродом с преимущественным образованием аустенита, подвергаемого закалке. Отличие от простого газового цементирования, связанное с присутствием азота, заключается в более низкой температуре процесса и меньшей его продолжительности (1-5 час).

Качество полученного цементированного слоя получается не ниже, чем при других способах цементирования, перед которыми газовое цианирование имеет следующие преимущества: процесс применим ко всякой стали (в отличие от азотирования); нет опасности отравления и потерь дорогих цианистых соединений (в отличие от жидкого цианирования).

Нитроцементация — новейший и наиболее совершенный способ химико-термической обработки, получающий все большее распространение в технике. Недочетом его, как и всякого газового цементирования, является необходимость оборудования специальной установки для ведения процесса. В этом отношении старый способ твердого цементирования иногда незаменим, поскольку может быть выполнен при самом примитивном оборудовании в любых мастерских.

Что называется термической обработкой металла: основы, общие принципы

В процессе данной технологии кристаллическая решетка болванки преобразуется. Задача – изменить свойства, а не ее конфигурацию и габариты. По завершении заготовка приобретает требуемые по технологии параметры и уникальное строение. Рассмотрим, для чего нужна закалка металла и как она влияет на структуру стали после процедуры:

  • • для улучшения технологических характеристик посредством разупрочнения, данный процесс применяют в качестве подготовительной операции или промежуточного этапа;
  • • для получения требуемых технических характеристик посредством упрочнения либо приобретения специализированной структуры;
  • • для фиксации размера и конфигурации, а также получения новых свойств заготовки.
Читать еще:  Химическое и электрохимическое оксидирование алюминия

Все процедуры допускаются только на материалах, в которых температурные превращения выполняются подобным образом. Воздействие температурой применяют с целью производства режущих элементов оснастки, станков, машин и производственного оборудования. Отвечая на вопрос, какие виды стали подвергаются закалке, отметим, что процедура подходит для металлов любых марок, требующих повышения износоустойчивости.

Достоинства диффузионного насыщения металлов[ | ]

Поверхность диффузионно-металлизированной детали обладает высокой жаростойкостью, поэтому жаростойкие изделия изготавливают из простых углеродистых сталей с последующим алитированием, хромированием и силицированием. Исключительно высокой твёрдостью (до HV 2000) и высоким сопротивлением абразивному износу обладают борированные слои, вследствие образования на поверхности высокотвёрдых боридов железа – FeB и Fe2B; однако борированные слои очень хрупкие. Сульфидирование – поверхностное насыщение стали серой. Для режущего инструмента стойкость повышается в 2–3 раза.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector