Цементация, азотирование, цианирование

Азотированием (азотизацией  или нитрированием) стали называется процесс

поверхностного  насыщения стали азотом.

Азотированию, как  и цементации, подвергают детали, работающие на износ и

воспринимающие  знакопеременные нагрузки. Азотированные  детали имеют следующие

преимущества: высокую  твердость, износостойкость, теплостойкость и

коррозийную стойкость. Так как азотированию подвергают в основном

легированные стали  определенных составов и процесс  имеет большую

продолжительность (30-60 ч.), применение его оказывается  экономически

целесообразным  лишь для обработки ответственных  инструментов и деталей

авиамоторов, дизелей, турбин, приборов и т. п.

Насыщаемость железа молекулярным азотом при атмосферном  давлении и температуре

до 1500 ⁰С невелика, однако ее можно увеличить, создав в печи

высокое давление (несколько сот атмосфер). Но этот способ насыщения железа

азотом пока не представляет практического интереса ввиду его трудоемкости.

Для насыщения  целесообразнее использовать атомарный  азот, образующийся в

момент разложения соединений, содержащих этот элемент. В качестве такого

соединения обычно применяют аммиак, диссоциация которого сопровождается

выделением азота  в атомарном активном состоянии, который, однако, вскоре

переходит в молекулярное состояние и теряет свою активность:

                        2NH₃ = 2N + 6H                       

  2N       N₂ 

  6H       3H₂.

Поэтому азотирование интенсивно протекает лишь в том  случае, когда

диссоциация аммиака  происходит в непосредственной близости  от азотируемой

поверхности.

    

Стали для азотирования.

 Все шире  применяется азотирование аустенитных  и нержавеющих теплостойких сталей.

Аустенитная сталь, как известно, имеет низкую износостойкость, но в то же время

обладает рядом  ценных свойств: парамагнитностью, высокой  жаропрочностью,

окалиностойкостью, коррозийной стойкостью и высокой  ударной вязкостью при

температуре ниже 0 ⁰С.

Азотирование - наиболее эффективный способ повышения износостойкости

аустенитных нержавеющих  сталей.

В ряде зарубежных работ освещены результаты исследований сталей, содержащих

титан. Эти стали  азотируются быстрее, чем хромомолибденоаллюминиевая, и

отличаются более  высокой поверхностной твердостью и красностойкостью.

Разработана сталь, содержащая 18% Ni, насыщение азотом при 425-455 ⁰

С в течение 20 ч  приводит к превращению в поверхностном  слое феррита в аустенит,

а последний, при  охлаждении на воздухе превращается в мартенсит.

Рекомендовано подвергать азотированию (взамен цианирования) инструмент из

быстрорежущих сталей Р9 и Р18.

Азотированию подвергают также детали из высокопрочного магниевого чугуна (в

частности, коленчатые валы тепловоза и детали из специальных  чугунов,

легированных алюминием).

      

Свойства  азотированной легированной стали.

Азотированный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью.

Износостойкость азотированной стали в 1,5-4 раза выше износостойкости

закаленных высокоуглеродистых, цементованных, а также цианированных  и

нитроцементованных  сталей.

Азотирование снижает  вязкость стали, повышает ее прочность, ослабляет влияние

концентраторов  напряжений на снижение предела выносливости стали и

существенно повышает предел выносливости, особенно тонких деталей и деталей,

работающих в  некоторых коррозионных средах.

Азотирование повышает сопротивление задираемости и налипанию  металла под

нагрузкой и особенно при повышенных температурах.

Азотированная сталь  обладает теплостойкостью (красностойкостью), и ее твердость

сохраняется после  воздействия высоких температур. Например, сталь 38ХМЮА

сохраняет свою твердость  при нагреве до 500-520 ⁰С в течение

нескольких десятков часов. Еще большую устойчивость твердости против

воздействия температур (до 600 ⁰С) имеет аустенитная сталь. Однако

при длительной эксплуатации в условиях высоких температур азотированный  слой

постепенно рассасывается, на поверхности образуются окислы и  происходит

глубокая диффузия кислорода по нитридным прожилкам, образующимся как в процессе

азотирования, так  и при длительном нагреве во время  эксплуатации.

В результате азотирования коррозионная стойкость конструкционной  стали (в

среде воздуха, водопроводной  воде, перегретом паре, слабых щелочных

растворах) повышается и, наоборот, аустенитной хромоникелевой и нержавеющей

хромистой стали  некоторых марок понижается. Окалиностойкость последних сталей

также понижается. Это объясняется тем, что в  азотированном слое этих сталей

из твердого раствора устраняется значительная часть  хрома, входящего в состав

образующихся нитридов. В аустенитной стали некоторых  составов, например с

малым содержанием  никеля, это может сопровождаться даже выпадением в

азотированном слое a-фазы, в результате чего поверхностный  слой становится

слегка магнитным.

Азотированная сталь  обладает высокой эрозионной стойкостью в потоках горячей

воды и водяного пара.

    

     

Цианирование.

Для цианирования на небольшую глубину используют ванны составом:

     №1      NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na₂CO₃ 25-50%,

температура цианирования 840-870 ⁰С, продолжительность процесса -

1ч.

     №2      цианплав ГИПХ 9%, NaCl 36%? CaCl₂ 55%.

Реакции идущие в  ванне №1:

                      2NaCN + O₂ = 2NaCNO                     

          2NaCNO + o2 = Na₂CO₃ + 2N + CO.         

реакции идущие в  ванне №2:

                           Ca(CN)2 = CaCN2 + C                          

                        CaCN2 + O2 = CaO + CO + 2N                       

                    2Ca(CN)2 + 3O2 = 2CaO + 4CO + 4N.                   

После цианирования непосредственно из ванны производится закалка.

      

Структура нитроцементованного  и цианированного слоя.

При цианировании при 850-900 ⁰С в цианистых ваннах, содержащих

цианплав, и при  глубоком цианировании при 900-950 ⁰С в

низкопроцентных ваннах с цианистым натрием и  хлористым барием сталь с

поверхности насыщается углеродом примерно до той же концентрации, что и при

цементации, и лишь немного азотом. При цианировании в ванне №1 сталь насыщается

углеродом несколько  меньше, чем при цементации, а  азотом в поверхностной зоне

слоя больше, чем  в других ваннах.

    

Низкотемпературная  нитроцементация  и цианирование.

Низкотемпературной  нитроцементации и цианированию при 560-700 ⁰С

подвергаются стали  различного назначения для повышения  их поверхностной

твердости, износостойкости, предела выносливости, теплостойкости и

противозадирных свойств. Обычно такая обработка  проводится при 560-580 ⁰

С, т. е. при температуре, которая немного ниже минимальной  температуры

существования  g-фазы в системе Fe - N. Поэтому в  процессе обработки при такой

температуре на стали  образуется, по существу, азотированный  слой, а углерод

проникает на глубину  лишь нескольких микрон, где может  образовываться тонкая

карбонитридная  зона.

    

Свойства  нитроцементованной и цианированной  стали.

Нитроцементованная  и цианированная конструкционная  сталь благодаря

присутствию азота  более износостойка, чем цементованная.

Нитроцементация и цианирование существенно повышают предел выносливости,

причем нитроцементация  в большей степени, чем цианирование, а в ряде случаев

в большей степени, чем цементация.

При цианировании невозможно регулировать концентрацию азота и углерода в

слое. Поэтому в  цианированном слое количество остаточного  аустенита всегда

больше, чем в  нитроцементованном.

В связи с этим сжимающие напряжения создаются  в цианированном слое лишь на

некотором расстоянии от поверхности, что приводит к снижению предела

выносливости стали. Этим и объясняется меньшая долговечность  цианированных

деталей по сравнению  с нитроцементованными.

При цианировании необходимо производить наклеп деталей  дробью, создающий на

поверхности (вследствие превращения остаточного аустенита  в мартенсит) высокие

напряжения сжатия. Усталостные испытания зубьев цианированных  зубчатых колес на изгиб с циклической нагрузкой показали, что наклеп дробью повышает предел

выносливости с 43 до 72 кГ/мм².

Испытания на стенде показали, что после наклепа дробью стойкость (доразрушения) цианированных  зубчатых колес увеличилась с 9 до 140 ч.

Сталь, подвергнутая нитроцементации и имеющая на поверхности тонкий

нетравящийся карбонитридный слой (что бывает не всегда), корродирует

медленнее нецианированной  стали. Например, в 3%-ном растворе поваренной соли

стойкость такой  стали против коррозии в 2 раза выше, чем нецианированной.

Коррозионная стойкость  нержавеющих сталей после нитроцементации  и цианирования снижается.