Ціанування і нітроцементація сталі: технологія та призначення

Ціанування, метою якого є насичення поверхневих шарів сталі азотом і вуглецем, являє собою одну з різновидів такої технологічної операції, як нітроцементація. Порівняно із звичайною цементацією, цей метод обробки сталі є більш ефективним, оскільки дозволяє надавати сталевим виробів особливі механічні властивості.

ОСОБЛИВОСТІ НІТРОЦЕМЕНТАЦІЇ ТА ЦІАНУВАННЯ

Хоча нітроцементація та ціанування переслідують одну мету (насичення поверхневого шару сталі азотом і вуглецем), вони мають одну істотну відмінність. Полягає воно в тому, що нітроцементації вироби піддаються в газовому середовищі, а при ціануванні такий середовищем є розплав ціаніду натрію або інших солей.

Свою ефективність розглянуті технологічні операції демонструють при обробці таких матеріалів:

• сталей, що належать до нержавіючої категорії;
• легованих сталевих сплавів, а також сталей, що не містять легуючих добавок і характеризуються середнім вмістом вуглецю в своєму складі;
• конструкційних сталей з низьким змістом вуглецю.

Ціанування сталі, що відноситься до однієї з вищеперелічених категорій, як і процес її нітроцементації, відбувається при певному температурному режимі (820-950°), який повинен строго дотримуватися. В результаті кваліфікованого застосування таких методів обробки вдається вирішити наступні завдання:

• підвищити зносостійкість поверхні виробу;
• збільшити його поверхневу твердість;
• підвищити межу витривалості металу.

Існує ще один різновид цементації, яка називається м’яким азотування. Така обробка, яка виконується при температурі близько 590°, потрібна среднеуглеродистым сталі для збільшення рівня їх зносостійкості і межі витривалості. Ціанування також піддають вироби з швидкорізальних сталей, що дозволяє підвищити твердість і стійкість до зносу їх поверхневого шару, а також зробити його більш стійким до впливу підвищених температур.

У металургійній галузі також використовується така технологічна операція, як ціанування золотовмісних руд, яка докорінно відрізняється від всіх перерахованих вище методів обробки сталей. Метою ціанування руди, золото у складі якої може міститися навіть у дуже незначних кількостях, є виділення з неї концентрату, що характеризується високим вмістом дорогоцінного металу. Такий концентрат після його подальшої обробки може бути використаний для виробництва золотих виробів.

ДИФУЗІЯ АЗОТУ І ВУГЛЕЦЮ В ПОВЕРХНЕВИЙ ШАР СТАЛІ

Насичення поверхневого шару виробу із сталі азотом і вуглецем, що мають на увазі під собою нітроцементація та ціанування, відбувається за рахунок дифузії даних елементів у внутрішню структуру сталевого сплаву. У поверхневому дифузійному шарі сталевого виробу при підвищенні температури під час ціанування знижується кількість азоту, а кількісний вміст вуглецю, навпаки, збільшується.

Вміст вуглецю в дифузійному шарі може збільшуватися безперервно або тільки до певного моменту, а воно починає знижуватися тільки на останніх етапах виконання технологічної операції. За рахунок такої особливості процесу дифузії вуглецю насичення поверхневого шару сталевого вироби даним елементом може фіксуватися при різних температурах виконання ціанування. На ступінь насичення великий вплив надають науглероживающие здатності середовища, в якому виконується ця технологічна операція.

На параметри процесу спільної дифузії серйозно впливає азот, від якого, зокрема, залежать:

• глибина шару металу, на яку буде відбуватися дифузія вуглецю;
• ступінь насичення такого шару вуглецем.

Між тим великий вміст азоту в середовищі для ціанування може призвести до того, що дифузія вуглецю в структуру стали буде протікати недостатньо активно. Пояснюється це тим, що азот, коли в робочому середовищі для ціанування його міститься занадто багато, сприяє формуванню на поверхні оброблюваного виробу карбонитридных фаз або утворень.

Процес насичення поверхневого шару сталевого виробу азотом і вуглецем при виконанні ціанування і нітроцементації протікає в дві стадії, які мають мало спільного, якщо порівнювати їх кінетичні показники. Так, на першій стадії, що може тривати від 60 до 180 хвилин, поверхневий шар виробу насичується і азотом і вуглецем. На наступному етапі окремі атоми азоту, вже абсорбированные в структуру стали, можуть десорбироваться, тобто перейти назад в газову фазу і вийти назовні через поверхню сплаву. При протіканні другої фази ціанування зовнішній шар оброблюваної сталі продовжує насичуватися вуглецем.

Процес зменшення кількості азоту і збільшення змісту вуглецю в складі оброблюваної сталі, що протікає при збільшенні температури в ході ціанування, має лінійний характер. При цьому така лінійність характерна лише для верхнього шару дифузійної зони, у той час як в шарах сталевого вироби, розташованих на більшій глибині від її поверхні, вона не спостерігається.

Характерною особливістю ціанування є те, що вуглець проникає в оброблюваний виріб на меншу глибину, ніж азот. Глибина проникнення цих елементів в структуру сталі залежить переважно від мікроструктури оброблюваного матеріалу. Цианированные вироби невеликої товщини можуть відрізнятися більш високою крихкістю, якщо порівнювати їх з деталями, обробленими за стандартною технологією цементації.

ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ ТЕХНОЛОГІЇ

Процес нітроцементації та ціанування, як вже зазначалося вище, здійснюється при відносно невисоких температурах, що сприяє менш інтенсивному зносу використовуваного обладнання, а також не призводить до значних деформацій оброблюваних деталей. При цьому виконання технологічних операцій на таких режимах виключає необхідність охолоджувати оброблюваний виріб до низьких температур.

Після ціанування аустенітна структура сталі стає більш стійкою, що покращує прожарювана окремих ділянок матеріалу, які були піддані такій обробці. Зокрема, саме завдяки таким властивостям цианированного матеріалу низьколеговані сталі можна гартувати в маслі.

Нітроцементація та ціанування підвищують твердість і контактну витривалість виробів

Залишковий аустеніт, присутній в сталях, які були піддані ціанування, сприяє поліпшенню таких характеристик матеріалу, як:

• міцність на вигин;
• ударна в’язкість;
• пластичність;
• втомна міцність.

Саме тому з допомогою ціанування обробляють деталі, які в процесі експлуатації піддаються значним навантаженням. Сюди, зокрема, відносяться вали і шестерні, серцевина яких повинна відрізнятися не тільки достатньою міцністю, але і достатньою в’язкістю. Формування саме таких характеристик і домагаються при ціануванні.

Між тим виконання ціанування має і ряд недоліків:

• Величина поверхневого шару сталі, характеристики якого поліпшуються в результаті виконання такої технологічної операції, складає всього сім-вісім десятих міліметра.
• При виконанні ціанування необхідно постійно контролювати ступінь азотування і навуглерожування, якою володіє робоче середовище.