Процесс цементации
Целью цементация стали является повышение эксплуатационных характеристик детали. Они должны быть твердыми, износостойкими снаружи, но внутренняя структура должна оставаться достаточно вязкой.
Для науглероживания слоя наружной поверхности, детали нагревают с использованием печи до температуры в диапазоне 850С — 950С. При такой температуре происходит активизация выделения углерода, который начинает внедряться в межкристаллическое пространство решетки стали.
Цементация деталей достаточно продолжительный процесс. Скорость внедрения углерода составляет 0,1 мм в час. Не трудно подсчитать, что требуемый для длительной эксплуатации 1 мм можно получить за 10 часов.
Влияние на глубину слоя продолжительности цементации
На графике наглядно показано на сколько зависит продолжительность по времени от глубины наугрероживаемого слоя и температуры нагрева.
Технологически цементация сталей производится в различных средах, которые принято называть карбюризаторами. Среди них выделяют:
- твердую среду;
- жидкую среду;
- газовую среду.
Поверхностный слой, получаемый цементацией
Стали под цементацию обычно берутся легированные или же с низким содержанием углерода: 12ХН3А,15, 18Х2Н4ВА, 20, 20Х и подобные им.
Виды цианирования
Есть несколько способов цианирования, которые выполняют по своей технологии для определенных типов стали с достижением разных результатов обработки. Так можно классифицировать процесс:
- 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
Обработку металла низкотемпературную (тенифер-процесс) выполняют при рабочей температуре порядка 540–600 градусов по Цельсию. Здесь металл насыщается преимущественно азотом. Таким способом укрепляют высокохромистые, быстрорежущие стали, которые используются для изготовления инструментов. Низкотемпературное цементирование не предполагает более никаких операций – это заключительный этап обработки.
Цианирование стали
Данный процесс несколько отличается от цементации и заключается в том, что поверхностный слой стальной элемента насыщается не только углеродом, но еще и азотом. В промышленности используют высоко- и низкотемпературное цианирование, в то время как цементация не позволяет производить несколько видов операций.
Высокотемпературное цианирование
Основная задача данного процесса – сделать деталь более твердой, износостойкой. Осуществляется манипуляция в ваннах, которые наполняют нейтральными солями: BaCl2, NaCl, Na2CO3 и некоторыми другими. Роль карбюризаторов выполняют соли KCN и NaCN, действующее вещество которых – циан. Он способствует тому, что стальная деталь насыщается азотом и углеродом. Процесс осуществляется при температуре до 900 ОС.
Чтобы слой, подвергнутый цианированию, стал максимально прочным, детали закаливают или в масле, или в воде, в течение полутора часов. Чтобы количество циана не уменьшалось (он постепенно выгорает), в ванну добавляют маленькие порции цианистых солей.
Низкотемпературное цианирование
Данный процесс уместен в том случае, если деталь должна соответствовать критериям повышенной прочности, износостойкости. Температура, необходимая для достижения поставленных целей, находится в диапазоне от 550 до 570 ОС (быстрорежущая сталь) и 510–520 ОС (высокохромистая сталь).
Осуществляется процедура в соляной ванне, содержимое которой представляет собой равные доли NaCN и KCN. Глубина полученного слоя – от 0,01 мм (при продолжительности цианирования в 10 мин) до 0,06 мм (при длительности процесса до 60 минут).
Преимущества методов
Азотирование и нитроцементация в несколько раз эффективнее, нежели процесс цементации. Цементованный слой с мартенситным строением сохраняет свои улучшенные свойства при условии температурного режима не выше 225°С. Методика азотирования позволяет поднять показатели до 550 — 600°С. Этот метод наиболее эффективен для поднятия износостойкости сталей аустенитных нержавеющих. Нитроцементация объединяет преимущества цементации и азотирования, этот процесс более прогрессивен и экономичен: ускоряется насыщение поверхности металла азотом и углеродом на 30 — 35%, производственный цикл сокращается на 50 — 60%, минимальны деформации, повышается износостойкость металла и способность к закаливанию.
Свойства металла после обработки
После цементации увеличивается прочность используемых заготовок. На поверхности металла образуется науглероженный слой. Его твердость на легированных сталях не превышает 58–61 HRC, а в металлах с малым содержанием углерода — 60–64 HRC. Чтобы убрать крупные зёрна, образующиеся после термической обработки, заготовку нагревают повторно, а после этого проводят отпуск.
Дополнительная закалка для исправления недочетов должна проводиться при температуре в 900 градусов. Крупные зерна измельчаются благодаря образованию перлита и феррита. Если речь идет о легированной стали, в качестве дополнительной обработки проводится нормализация. На заключительном этапе обработки, заготовка подвергается низкотемпературному отпуску.
Отпуск стали (Фото: Instagram / rosneftegazinstrument)
Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса
Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.
Суть технологии
Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.
При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается
Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются
Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров.
После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.
Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.
- За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
- Возрастает усталостная прочность изделия.
- Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.
Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации.
Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.
Как протекает процесс азотирования
Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.
Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула: 2NH3 → 6H + 2N.
Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.
Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.
Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:
- твердый раствор Fe3N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
- твердый раствор Fe4N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
- раствор азота, формирующийся в α-железе.
Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.
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).
Цианирование и нитроцементация.
Цианирование называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом.
На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержания углерода в слое, снижает температуры- к увеличению содержания азота.
Толщина цианированного слоя также зависит от температуры-и продолжительности процесса. Для цианирования применяют стали, содержащие 0,3-0,4% углерода.
Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NACN. Примерный состав ванны следующий:20-25% NACN; 25-50% Nacl и 25-50% Na2CO3.
Первый состав применяют для цианирования при 820-850С, второй -при 900-950С.
Цианирование при температурах 820-850С позволяет осуществлять закалку непосредственно из ванны. После закалки следует низкотемпературный отпуск. Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC 59-62.
Цианирование при температурах 820-850С позволяет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 минут. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией: меньше продолжительность процесса для получения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и повышенная усталостная прочрость.
После цианирования детали охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпературный отпуск.
Недостатком цианирования является ядовитость цианистых солей
Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности
Нитроцементацию осуществляют при температурах 840-860С в газовой смеси из неуглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глубины насыщаемого слоя и составляет 1-10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1 мм.
После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160-180С.
Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540-560С в расплавленных цианистых солях.
Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки образуется нитроцементованный слой толщиной 0,02-0,04мм твердостью HV 9500-11000. Длительность процесса 1-1,5 часа.
Нитроцементация в твердых смесях применяется для повышения стойкости инструментов из быстрорежущей стали. Инструменты укладываются в металлические ящики и пересыпаются смесью, состоящей из 60-80% древесного угля и 20-40% желтой кровяной соли или другого состава. Потом ящики закрывают и устанавливают в печь с температурой 550-560С. После выдержки 2-3ч ящики выгружают из печи и охлаждают до 200-100С. Затем ящики раскрывают и вынимают инструмент, очищая металлическими щетками.
Хрупкость слоя возникает при пересыщении слоя углеродом и азотом, когда образуется сетак или сплошная корка карбонитридов у самой поверхности.
«Темная составляющая» в структуре возникает после нитроцементации в виде темной разорванной или сплошной сетки, обнаруживаемой на нетравленных микрошлифах. Причина: повышенная концентрация азота, увеличение времени выдержки и появление окисляющих газов в рабочем пространстве печи.
Другое по теме
Производство бетонных работ при строительстве гидротехниче-ских сооружений В комплексе работ по возведению гидротехнических сооружений основную часть составляют бетонные. Для их качественного выполнения требуется учитывать разнообразные условия и выбирать наиболее эффективные способы ведения. Бетонные работы включают в себя набор производственных процессов, позволяющих получить бетонную кладк …
Научное познание и его специфические признаки. Методы научного познания Обыденное познание дает знания для ориентации в окружающем мире. На его основе накапливается материал для научного познания. Оно субъективно и возникает как результат научной деятельности. Наука: социальный институт (люди и отношения между ними) -специфическая познавательная деятельность (познание) специфи …
Области применения
Цианирование стали применяется в автомобильной промышленности для упрочнения мало- и средненагруженных деталей. Для получения нитроцементованного слоя глубиной не менее 0,4…0,5 мм необходимы периоды загрузки от 10…15 мин.
Снижение температуры нитроцементации до 850С (против 920С) при газовом цианировании, а также температуры закалки нитроцементованных деталей до 820С уменьшает объёмную и локальную деформацию изделий. Это служит значительным преимуществом рассматриваемого вида химико-термической обработки.
В производстве высокостойкого инструмента для станков и прессового оборудования, в частности, получаемого из быстрорежущей стали, применяется обработка в смеси аммиака и углеродсодержащих газов. Наибольший эффект из них обеспечивают пропан и бутан. Температура нитроцементации инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей, должна соответствовать температурам отпуска после закалки. Обычно используется выдержка от 1 до 3 часов, что определяется конфигурацией инструмента. Микротвёрдость нитроцементованного слоя должна быть не ниже 1000…1500 HV, причём с увеличением толщины детали разница в показателях износостойкости после ферритной и аустенитной нитроцементации практически незаметна.
Изменения размеров цианированных изделий, проявляющиеся после длительной термической обработки, обычно меньше, если процесс идёт по аустенитному варианту.
Разработанные модели для размерного роста позволяют исключать искажения размеров, что часто наблюдается после аустенитной нитроцементации. В частности, с целью устранения нежелательных внутренних напряжений, особенно в местах перехода от упрочненного слоя к основному подслою, часто вводится дополнительный отпуск аустенитных нитроцементованных деталей. После такого отпуска слой аустенита трансформируется до твердой бейнитной фазы. Закалка приводит и к увеличению коррозионной стойкости нитроцементованных сталей.
Традиционное цианирование ныне применяется только для обработки крупных заготовок, поскольку расплавы цианидов отличаются высокой степенью токсичности. Поэтому на некоторых предприятиях цианиды частично заменяются цианатами: их расплавы не так отрицательно сказываются на экологии прилегающих производственных зон.
Нитроцементация используется не только в машиностроительном или инструментальном производствах
Важной сферой применения данных технологий является цианирование золота. Процесс применяют при извлечении золота из руды либо в контролируемых условиях обогатительной фабрики, либо даже под открытым небом
При чановом выщелачивании смешивают мелко измельчённую руду с цианидной солью, растворённой в воде. Цианид связывается с ионами золота, тем самым позволяя им легче отделиться от основной породы.
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.
