Цианирование стали

Цианирование, нитроцементация

Это технология насыщения стали азотом и углеродом. Таким способом обрабатывают стали с количеством углерода 0,3 — 0,4%.

Соотношение между углеродом и азотом определяется температурным режимом. С его ростом возрастает доля углерода. В случае пересыщения обоими элементами слой обретает хрупкость.

На размер слоя влияет длительность выдержки и температура.

Цианирование проводится в жидкой и газовой средах. Первый способ называют также нитроцементацией. Кроме того, по температурному режиму оба типа подразделяют на высоко- и низкотемпературные.

При жидком способе используют соли с цианистым натрием. Основной недостаток — их токсичность. Высокотемпературный вариант отличается от цементации быстротой, большими износостойкостью и твердостью, меньшей деформацией материала. Нитроцементация дешевле и безопаснее.

Нитроцементация стали

Предварительно производят окончательную механическую обработку, а не подлежащие цианированию фрагменты покрывают слоем меди в 18 — 25 мкм толщиной.

Цианирование быстрорежущей стали

В процессе цианирования поверхность быстрорежущей стали насыщается углеродом и азотом на глубину 0,02-0,03 мм и приобретает очень высокую твердость(до 1110-1200 HV).Поэтому цианогенизированный инструмент является、 Меньше прилипания обработанного металла к поверхности, которая делает его более легким для обломоков пропустить.

Жидкий цианид обычно проводят в ванне с цианистым натрием (или калием) 30-50% и расплавленной солью, содержащей 50-70% соды или других нейтральных солей. Время выдержки цианида в жидкой среде должно быть достаточным для прогрева стали до температуры ванны и полного растворения корки цианидной соли, образующейся на поверхности изделия при погружении изделия в расплав цианидной соли.

Обычно цианоз в жидкой ванне длится не более 10-15 минут для мелких инструментов и 20-30 минут для крупных. Газ цианид проводят в закрытой печи, в рабочее пространство которой подают смешанный газ, состоящий из 20-30% аммиака и 70-80% генератора, газ с пиролизом или другим углеродом.

Для цианистого газа время экспозиции значительно больше, чем для жидкости, и составляет от 1 до 2 часов, в зависимости от размера инструмента, размера нагрузки и т. д. На многих заводах низкотемпературного газового цианида в инструментах из быстрорежущей стали используют несколько модифицированных пиролизных шахтных цементных печей, где науглероживающий газ получают пиролизом жидких углеводородов, которые подают путем сбрасывания в реторту, где расположена быстрорежущая сталь, а аммиак подают по специальным трубкам со дна реторты и смешивают с газовым вентилятором.

Весьма перспективен процесс низкотемпературного цианирования газа триэтаноламином. Триэтаноламин представляет собой густую вязкую жидкость желтого цвета с химической формулой (C2H4OH) 3N, ее состав: 48,5% C, 9,5% N2,10% H2 и 32% O2, удельный вес 1,1, температура кипения 277° .Когда триэтаноламин падает в предварительно нагретую печь, газообразный углерод-азот может быть получен непосредственно в рабочей реторте без аммиака. Присутствие кислорода в триэтаноламине предотвращает графитизацию при цианировании. Это происходит потому, что выделившийся таким образом углерод отдает кислород монооксиду углерода, который также участвует в карбонизации стали. Этот процесс неэффективен, очень неудобен для производства, кроме того, из-за повреждения при термической обработке

По сравнению с цианированием жидкостей и газов результат хуже. Твердый цианид можно проводить, например, в виде порошка, состоящего из 30-40% желтой соли крови и 60-70% углеродного карбюранта. Инструмент упаковывают в железный ящик и нагревают в духовке 560-570°в течение 1-2 часов. А потом его выпускают в воздух. Цианид быстрорежущей стали проводят при температуре на 15-20°ниже температуры отпуска инструмента, чтобы не снижать твердость основной структуры металла при цианировании. Если режим цианирования не является правильным, например, время выдержки в цианидной среде слишком велико, на поверхности инструмента может образоваться карбидная и нитридная корка.

Эта корка очень хрупкая, и лезвия инструмента такой структуры окрашиваются во время работы. Очень удобно подвергать инструмент воздействию высокотемпературного цианида перед закалкой, чтобы защитить сталь от обезуглероживания и продлить срок службы инструмента во время работы. Нагревайте в течение 15-20 минут. При 820-850° в цианиде может быть получен слой цианида bath. It хорошо сохраняется даже при дальнейшем упрочнении и отпуске инструмента.

Дефекты при термической обработке быстрорежущей стали	Обработка холодом закаленной быстрорежущей стали
Сплавы системы Fe — Си	Изотермическая закалка быстрорежущей стали

Какая температура цианирования лучше

Важно учитывать многие факторы, которые будут влиять на эксплуатацию прибора. При низкотемпературном цианировании металл нагревается на минимальных показателях

Горячее цианирование предлагает использование ванн со средней температурой около 850 градусов.

В среднем цианирование занимает до 6 часов, поэтому первый результат видно достаточно быстро. На низких температурах происходит меньше деформации, поэтому изделия сохраняют свою геометрию и функциональность. В отдельных случаях бывает недостаточно низких температур, поэтому рекомендуется использование цианированных деталей горячим способом.

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.

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:

• Сначала происходит насыщение верхнего слоя углеродом и азотом. Это продолжается 1 — 3 ч.
• Далее абсорбированные в структуру материала атомы азота могут десорбироваться (выходить через поверхность, перейдя в газовую фазу). При этом насыщение углеродом продолжается и на втором этапе.

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.

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.

Назначение процесса

Нормализация призвана менять микроструктуру стали, она выполняет следующее:

• снижает внутренние напряжения;
• посредством перекристаллизации измельчает крупнозернистую структуру сварных швов, отливок или поковок.

Цели нормализации могут быть совершенно разные. С помощью такого процесса твердость стали можно повысить или снизить, это же касается прочности материала и его ударной вязкости. Все зависит от механических и термических характеристик стали. С помощью данной технологии можно как сократить остаточные напряжения, так и улучшить степень обрабатываемости стали с помощью того или иного метода.

Стальные отливки такой обработке подвергают в следующих целях:

• для гомогенизации их структуры;

• чтобы увеличить подверженность термическому упрочнению;
• чтобы снизить остаточные напряжения.

Изделия, полученные посредством обработки давлением, подвергают нормализации после ковки и прокатки, чтобы сократить разнозернистость структуры и ее полосчатость.

Нормализация вместе с отпуском нужна для замены закалки изделий сложной формы или же с резкими перепадами по сечению. Она позволит не допустить дефектов.

Еще эта технология применяется, чтобы улучшить структуру изделия перед закалкой, повысить его обрабатываемость посредством резки, устранить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, а также подготовить сталь к завершающей термической обработке.

Разновидности металла, который можно обрабатывать

Выделяют три основные группы металла, который используется для закалки:

1. Сталь с неупрочняемой сердцевиной. В эту группу входят следующие марки стали, пригодной для цементирования — 20, 15 и 10. Эти детали имеют небольшой размер, используются для эксплуатации в бытовых условиях. Во время закалки происходит трансформация аустенита в феррито-перлитную смесь.
2. Сталь со слабо упрочняемой сердцевиной. В эту группу вошли металлы таких марок, как 20Х, 15Х (хромистые низколегированные стали). В этом случае проводят дополнительную процедуру лигирования с помощью небольших доз ванадия. Это обеспечивает получение мелкого зерна, что приводит к получению более вязкого и пластичного металла.
3. Сталь с сильно упрочняемой сердцевиной. Этот вид металла используют для изготовления деталей со сложной конфигурацией или большим сечением, которые выдерживают различные ударные нагрузки, подвергаются воздействию переменного тока. В процессе закалки вводится никель или при его дефиците используют марганец, при этом для дробления зерна добавляют малые дозы титана или ванадия.

Цель цианирования стали и суть технологии

Первоочередная цель цианирования лежит в укреплении поверхностного слоя стали различных деталей, придании ему более высокого предела выносливости, так как этот слой подвержен наибольшим нагрузкам во время эксплуатации механизмов, конструкций. Насыщение поверхностного слоя металла углеродом и азотом принято применять из-за их быстрого проникновения, когда они взаимодействуют одновременно. Методом цианирования можно обрабатывать следующие виды металла:

• любые нержавеющие стали;
• сплавы стальные легированные либо те, где нет присутствия легирующих компонентов, стали с концентрацией углерода средних показателей;
• стали конструкционного назначения, где присутствует мало углерода.

Химико-термический способ цианирования придерживается следующей технологии:

1. В рабочую ванну с расплавленной солью цианистой состава 15% Na₂CO₃, 60% NaCl и 25% NaCN помещают деталь.
2. Далее рабочую среду нагревают до температуры от 930 до 530 градусов по Цельсию (в зависимости от выбранного режима обработки).
3. Выделяющиеся из соли оксид углерода и азот насыщают металл несколько часов.

Сущностью процесса, по которому углерод с азотом могут проникнуть внутрь слоя стали, является диффузия. В течение перечисленных выше этапов технологии процесс проходит две основные стадии, разделенные временными периодами:

1. Начальный период нитроцементации длительностью от одного до трех часов, характеризующийся внедрением в кристаллическую решетку металла атомов азота, углерода.
2. Конечный период, когда предварительно проникшие и насытившие сталь атомы азота начинают десорбироваться (покидать поверхность, вновь приобретая состояние газа), углерод же при этом продолжает насыщать металл до тех пор, пока не закончится воздействие температуры и рабочей среды.

Основные дефекты при нитроцементации

В процессе нитроцементации могут возникать дефекты обрабатываемых деталей.

Отслаивание

Это явление возникает при насыщении поверхности детали углеродом и связано со слишком низкими температурами или быстрым нагревом. В первом случае содержание углерода по направлению к центру выравнивается слишком медленно. При быстром нагреве содержание углерода резко снижается по мере удаления от поверхности детали. Такие резкие изменения провоцируют отделение цементованного слоя от изделия в виде отслаивания оболочки.

Грубозернистый излом

Грубозернистость обрабатываемого слоя может быть обусловлена несколькими факторами: перегревом, передержкой при закаливании, переизбытком углерода в цементованном слое из-за высокой или изменяющейся температуры при обработке. Эти дефекты можно устранить повторной закалкой. Грубозернистость сердцевины может возникнуть из-за слишком низкой температурой закалки. А если речь идет о низколегированных или углеродистых сталях, то этот дефект может объясняться слишком большими размерами деталей, что не позволяет достаточно прокалить сердцевину.

Мягкая поверхность

Этот дефект поверхности обработанных изделий обуславливается рядом нарушений процесса нитроцементации (возникновение пустот при набивке деталей, возникновение корки графита на поверхности детали). Такой изъян может вызывать и дефект закалки, связанный с низкой скоростью охлаждения или с образованием паровой рубашки. При азотировании мягкие пятна связаны с обработкой необезжиренных деталей.

Малая толщина насыщенной пленки

Такой дефект возникает при низкой температуре азотирования. Изъян крайне опасен, так как выявить обычными методами контроля его невозможно. Но устранить проблему можно повторной процедурой с соблюдением температурного режима.

Повышенная хрупкость

Связана с азотированием обезуглероженной поверхности. Последняя образуется на детали при термической или горячей обработке давлением. Этот слой необходимо механически удалить.

Твердость азотируемой поверхности немного ниже твердости слоя, лежащего непосредственно под поверхностью. При такой обработке высоконагруженных частей необходимо отшлифовать верхний слой, тем самым удаляя его.

Заявление

Руда является измельчали с помощью шлифовального оборудования. В зависимости от руды ее иногда дополнительно концентрируют с помощью пенной флотации или . Вода добавляется для получения кашицы или пульпы . Основная рудная суспензия может быть объединена с раствором цианида натрия или цианида калия ; во многих операциях используется цианид кальция , который является более экономичным.

Для того, чтобы предотвратить создание токсичного цианистого водорода в процессе обработки, гашеная известь ( гидроксид кальция ) или соду ( гидроксид натрия ) добавляют к раствору экстрагента , чтобы гарантировать , что кислотность во время цианирования сохраняется в течение рНа 10,5 – сильно щелочные.
Нитрат свинца может улучшить скорость выщелачивания золота и его количество, особенно при переработке частично окисленных руд.

Влияние растворенного кислорода

Кислород является одним из реагентов, потребляемых во время цианирования, принимая электроны из золота, а недостаток растворенного кислорода снижает скорость выщелачивания. Через пульпу можно продуть воздух или чистый газообразный кислород, чтобы максимально увеличить концентрацию растворенного кислорода. Внутренние контакторы кислород-пульпа используются для увеличения парциального давления кислорода, контактирующего с раствором, таким образом повышая концентрацию растворенного кислорода намного выше, чем уровень насыщения при атмосферном давлении . Кислород также можно добавить, дозируя пульпу раствором перекиси водорода .

Предварительная аэрация и промывка руды

В некоторых рудах, особенно частично сульфидированных, аэрация (перед введением цианида) руды в воду при высоком pH может сделать такие элементы, как железо и сера, менее реактивными по отношению к цианиду, что делает процесс цианирования золота более эффективным. В частности, окисление железа до оксида железа (III) и последующее осаждение в виде гидроксида железа сводит к минимуму потерю цианида из-за образования комплексов цианида двухвалентного железа. Окисление соединений серы до сульфат-ионов позволяет избежать превращения цианида в побочный продукт тиоцианата (SCN – ).

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.

Схема цементации стали

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.

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).