Нітроцементація і ціанування сталі

Нітроцементація або ціанування сталі — процеси хіміко-термічної обробки, які полягають у високотемпературному насиченні поверхні виробу азотом і вуглецем. Причому процес спільного насичення поверхні азотом і вуглецем у рідких ваннах прийнято називати ціануванням, а насичення в газоподібних середовищах — нітроцементацією.

Процес нітроцементації зазвичай ведуть при температурах 820…860 °С в середовищах ендогазів і ендоекзогазів з добавками природного газу (метану) і аміаку. Чим більша товщина необхідного шару насичення, тим меншим повинен бути вміст аміаку і метану і вища температура хіміко-термічної обробки. Для одержання шару товщиною близько 0,2 мм при температурі нітроцементації 800…820 °С в атмосферу печі додають 6…15 % аміаку і близько 5 % метану. Для одержання шару 0,5…1,0 мм температура нітроцементації підвищується до 860…880 °С, а вміст аміаку і метану знижуються відповідно до 0,6…1,3 % і 0,5…0,8 %.

Основне призначення процесу нітроцементації — підвищення твердості, контактної витривалості і зносостійкості. Основною температурою процесу вважається 860 °С. При оптимальних умовах насичення структура нітроцементованого шару складається з мартенситу, невеликої кількості рівномірно розподілених частинок карбонітридів і 25…30 % залишкового аустеніту, що забезпечує гарну прироблюваність. Вміст вуглецю на поверхні складає 0,7…0,9 %, азоту - 0,3…0,4 %. Ефективна товщина шару не повинна перевищувати 1 мм, тому що при більшій товщині в структурі шару з’являються фази, які різко знижують границю витривалості і контактну міцність матеріалу.

Ціанування проводять при температурах від 800…950 °С в розплавах, що містять ціанисті солі, причому з підвищенням температури хіміко-термічної обробки частка вуглецю в шарі росте, а азоту — знижується. Структура насиченого шару після ціанування є аналогічною структурі шару після нітроцементації. Хімічні склади основних розплавів для ціанування приведені в таблиці 3.5.

Варто мати на увазі, що активність ванн у процесі ціанування виробів поступово знижується. Для підтримки швидкості плину процесу варто періодично додавати в розплав ціанистий натрій.

Ціануванння застосовують для виробів з низьковуглецевих і низьколегованих сталей і використовують для підвищення їхньої поверхневої твердості, зносостійкості, границі витривалості при.

Серед головних переваг ціанування — відносно невелика тривалість процесу хіміко-термічної обробки, малі деформації і жолоблення деталі в ході процесу насичення, малі витрати тепла. Головним же недоліком процесу ціанування є висока токсичність застосовуваних розплавів і, пов’язані із цим, екологічні проблеми. Звідси випливає необхідність будівництва ізольованих приміщень, установка в них систем вентиляції й очищення повітря.

Таблиця 3.5 - Склади ванн і режими ціанування виробів

Термічну обробку виробів після ціанування — гартування — проводять безпосередньо з ванн, а потім піддають низькому відпусканню при температурах порядку 180…200 °С. Твердість насиченого шару після термічної обробки знаходиться в межах HRC 58…64.

Відомий також процес одночасного насичення вуглецем та азотом з твердих середовищ. Він називається карбонітрація і відрізняється високою продуктивністю та малою токсичністю. Карбонітрація з успіхом застосовується для зміцнення інструменту з швидкорізальної і штампувальної сталей. Значний ефект отриманий при використанні карбонітрації для зміцнення таких кінематичних пар, як зубчасті передачі, кулачки, пари втулка-вал, різьбові з’єднання і т.д. Температура процесу карбонітрації 570°С, тривалість перебування в активному середовищі 3…10 год. На відміну від азотування поверхневі шари, отримані при карбонітрації, мають більш високі показники пластичності і міцності зчеплення з дифузійним підшарком. Зносостійкість карбонітрованих шарів при терті в умовах ковзання у декілька разів більша зносостійкості азотованих шарів. При випробовуваннях карбонітрованих шарнірів в режимі коливального руху отримані різні результати в залежності від амплітуди коливань. При малих коливаннях, коли утруднюється винесення продуктів зношування із зони тертя, зносостійкість шарніру різко знижується – абразивну дію чинять вільні продукти зношування. Навантаження, яке викликає заїдання в парі циліндр-сфера в умовах чистого ковзання, в результаті карбонітрації підвищується в 4 рази у порівнянні із загартованою аустенітною сталлю ЭП769 (40Г14Н9Х3Ф2Ю) і в 2 рази у порівнянні з азотованою.

Мікроструктура серцевини цементованих і нітроцементованих деталей повинна являти собою маловуглецевий мартенсит або нижній бейніт. При цьому неприпустимі виділення фериту в структурі серцевини, тому що втомна міцність і ударна в’язкість знижуються.