Нитроцементация – эффективное повышение характеристик стали

1 Нитроцементация – основная информация об операции

Данная процедура – это не что иное, как одновременное насыщение азотом и углеродом поверхностных слоев стали, которое осуществляется в газовой среде. Если такая загрузка азота и углерода выполняется в цианистой расплавленной ванне, она носит название цианирования.

Указанным операциям подвергаются:

• нержавеющие стали;
• без добавок легирующих составляющих и легированные стали со средним содержанием углерода;
• низкоуглеродистые конструкционные стали.

Цианирование стали (озвученных выше типов) и ее цементация выполняются в строгом температурном интервале – от 820 до 950 °С с целью увеличения следующих показателей:

• износостойкости;
• твердости (поверхностной);
• предела выносливости металла.

Среднеуглеродистая сталь улучшенного качества цементируется уже при более низких температурах (около 590 градусов). Такой процесс называют мягким азотированием. Его задача состоит в увеличении предела выносливости и уровня износостойкости обрабатываемого материала. Также на металлургических предприятиях производится газовое цианирование быстрорежущих сталей. После операции они становятся стойкими к износу и воздействию высоких температур, обретают твердый поверхностный слой.

2 Единовременная диффузия азота и углерода в сталь и ее основные особенности

При увеличении температуры, при которой выполняется газовое цианирование, в диффузионном слое наблюдается снижение количества азота. При этом содержание углерода до определенного момента (а иногда и непрерывно) повышается. Его количество начинает снижаться только на последних этапах операции насыщения. За счет этого наибольшее насыщение углеродом металла может фиксироваться при разных показателях температуры (конкретная величина зависит от науглероживающих возможностей среды).

Азот при совместной диффузии оказывает значительное влияние на:

• глубину диффузии углерода;
• уровень насыщения углеродом стали.

В тех случаях, когда азота в сплаве очень много, возрастает вероятность формирования карбонитридных образований (фаз) на поверхности стали. Это приводит к тому, что газовое цианирование затрудняется из-за малой степени диффузии углерода.

Нитроцементация характеризуется двумя стадиями насыщения обрабатываемой поверхности. Эти стадии по своим кинетическим показателям существенно отличаются друг от друга. На первом этапе, который продолжается от 60 до 180 минут, сталь одновременно насыщается азотом и углеродом. А на втором отмечается явление десорбции азота в то время, когда углерод еще продолжает проникать в поверхность. Под десорбцией понимают перемещение некоторых абсорбированных атомов в газовую фазу с поверхности стали.

При увеличении температуры процесса азота становится меньше, а углерода больше. Но данное явление, имеющее линейный характер, справедливо исключительно для верхней части диффузионной зоны. А вот в слоях, которые располагаются на большей глубине, указанная линейность не действует.

Когда осуществляется цианирование, углерод всегда проникает в сталь на меньшую величину, нежели азот. Глубина проникновения при этом устанавливается по микроструктуре материала. Данный факт обуславливает то, что в ряде случаев при обработке тонкие цианированные изделия могут иметь очень высокую хрупкость, если сравнивать ее с величиной хрупкости цементованных заготовок.

3 Ключевые достоинства нитроцементации и цианирования

Относительно невысокая температура процесса повышает эксплуатационный потенциал металлургических печей и оборудования, обеспечивает снижение уровня деформации, а также позволяет выполнять закалку стали сразу же после процедуры насыщения ее поверхности. Причем при закалке отпадает необходимость в остужении до малых температур обрабатываемого изделия.

Газовое цианирование гарантирует высокую устойчивость аустенита, что ведет к повышению степени прокаливаемости нитроцементованных зон металла. Такая высокая степень дает возможность осуществлять в масле закалку низколегированных заготовок.

Присутствие остаточного аустенита в стали увеличивает прочность детали на изгиб, ударную вязкость, пластичность металла. Кроме того, аустенит увеличивает усталостную прочность изделий за счет того, что он эффективно противодействует образованию усталостных нарушений.

Газовое цианирование, обладая всеми описанными достоинствами, стали активно применять для упрочнения валов и зубчатых колес, относимых к группе высоконагруженных элементов машин и механизмов. Они должны обладать высокой прочностью сердцевины (до 200 кГ/мм2) и при этом характеризоваться достаточной вязкостью. Цианирование обеспечивает именно такие результаты.

Отдельно добавим, что существует особое сорбционное цианирование – процесс, используемый для растворения в цианистых соединениях золота. Данная процедура производится в присутствии кислорода. Она позволяет добывать благородный металл из золотосодержащих руд с минимальными затруднениями.

Напоследок скажем, что одновременная загрузка азота и углерода (газовое цианирование или нитроцементация) имеет несколько недостатков. К ним обычно причисляют следующие явления:

• ограничение глубины слоя показателем от 0,7 до 0,8 миллиметров;
• потребность в постоянном корректировании азотирующей и науглероживающей возможности газовой атмосферы.