Цианирование и нитроцементация стали: назначение и особенности технологии

Цианирование, целью которого является насыщение поверхностных слоев стали азотом и углеродом, представляет собой одну из разновидностей такой технологической операции, как нитроцементация. По сравнению с обычной цементацией, этот метод обработки стали является более эффективным, так как позволяет придавать стальным изделиям особые механические свойства.

Рассматриваемые процессы предусматривают термическую обработку изделий, производимую в специальных газовых печах

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

Диффузия азота и углерода в поверхностный слой стали

Насыщение поверхностного слоя изделия из стали азотом и углеродом, что и подразумевают под собой нитроцементация и цианирование, происходит за счет диффузии данных элементов во внутреннюю структуру стального сплава. В поверхностном диффузионном слое стального изделия при повышении температуры во время цианирования снижается количество азота, а количественное содержание углерода, наоборот, увеличивается.

Содержание углерода в диффузионном слое может увеличиваться непрерывно или только до определенного момента, а снижаться оно начинает только на последних этапах выполнения технологической операции. За счет такой особенности процесса диффузии углерода насыщение поверхностного слоя стального изделия данным элементом может фиксироваться при разных температурах выполнения цианирования. На степень насыщения большое влияние оказывают науглероживающие способности среды, в которой выполняется эта технологическая операция.

Температура цианирования влияет на глубину и состав нанесенного слоя

На параметры процесса совместной диффузии серьезно влияет азот, от которого, в частности, зависят:

• глубина слоя металла, на которую будет происходить диффузия углерода;
• степень насыщения такого слоя углеродом.

Между тем большое содержание азота в среде для цианирования может привести к тому, что диффузия углерода в структуру стали будет протекать недостаточно активно. Объясняется это тем, что азот, когда в рабочей среде для цианирования его содержится слишком много, способствует формированию на поверхности обрабатываемого изделия карбонитридных фаз или образований.

Процесс насыщения поверхностного слоя стального изделия азотом и углеродом при выполнении цианирования и нитроцементации протекает в две стадии, которые имеют мало общего, если сравнивать их кинетические показатели. Так, на первой стадии, которая может продолжаться от 60 до 180 минут, поверхностный слой изделия насыщается и азотом, и углеродом. На следующем этапе отдельные атомы азота, уже абсорбированные в структуру стали, могут десорбироваться, то есть перейти обратно в газовую фазу и выйти наружу через поверхность сплава. При протекании второй фазы цианирования наружный слой обрабатываемой стали продолжает насыщаться углеродом.

Установка для цианирования

Процесс уменьшения количества азота и увеличения содержания углерода в составе обрабатываемой стали, протекающий при увеличении температуры в ходе цианирования, имеет линейный характер. При этом такая линейность характерна лишь для верхнего слоя диффузионной зоны, в то время как в слоях стального изделия, располагающихся на большей глубине от его поверхности, она не наблюдается.

Характерной особенностью цианирования является то, что углерод проникает в обрабатываемое изделие на меньшую глубину, чем азот. Глубина проникновения этих элементов в структуру стали зависит преимущественно от микроструктуры обрабатываемого материала. Цианированные изделия небольшой толщины могут отличаться более высокой хрупкостью, если сравнивать их с деталями, обработанными по стандартной технологии цементации.

Преимущества и недостатки технологии

Процесс нитроцементации и цианирования, как уже отмечалось выше, осуществляется при относительно невысоких температурах, что способствует менее интенсивному износу используемого оборудования, а также не приводит к значительным деформациям обрабатываемых деталей. При этом выполнение технологических операций на таких режимах исключает необходимость охлаждать обрабатываемое изделие до низких температур.

После цианирования аустенитная структура стали становится более устойчивой, что улучшает прокаливаемость отдельных участков материала, которые были подвергнуты такой обработке. В частности, именно благодаря таким свойствам цианированного материала низколегированные стали можно закаливать в масле.

Нитроцементация и цианирование повышают твердость и контактную выносливость изделий

Остаточный аустенит, присутствующий в сталях, которые были подвергнуты цианированию, способствует улучшению таких характеристик материала, как:

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

Именно поэтому с помощью цианирования обрабатывают детали, которые в процессе своей эксплуатации подвергаются значительным нагрузкам. Сюда, в частности, относятся валы и шестерни, сердцевина которых должна отличаться не только достаточной прочностью, но и достаточной вязкостью. Формирования именно таких характеристик и добиваются при цианировании.

Между тем выполнение цианирования имеет и ряд недостатков:

• Величина поверхностного слоя стали, характеристики которого улучшаются в результате выполнения такой технологической операции, составляет всего семь-восемь десятых миллиметра.
• При выполнении цианирования необходимо постоянно контролировать степень азотирования и науглероживания, которой обладает рабочая среда.