Содержание:

Суть технологии

Цианирование (часто употребляется также термин «нитроцементация») проходит на двух температурных уровнях:

  1. Выше точки А1, т.е., в области температур существования γ-твёрдого раствора углерода и азота в железе, которое имеет ГЦК-решётку.
  2. Ниже точки А1, т.е., в области температур существования α- твёрдого раствора углерода и азота в железе, имеющем ОЦК-решётку.
В первом случае цианирование преследует цель насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом с образованием γ-твёрдого раствора, который является углеродоазотистым аустенитом.

Процесс ведётся при температурном диапазоне 840…9000С. Активная газовая среда состоит из предварительно подготовленного эндотермического газа и аммиака (или триэтаноламина). Введение в атмосферу цементующего газа небольшого количества аммиака (от 2 до 5 %) существенно изменяет процесс, состав и структурное состояние диффузионной зоны в металле. В результате диффузии углерода и азота в поверхностном слое образуется углеродо-азотистый твёрдый раствор раствор γ-железа с ГЦК-структурой. При последующей закалке он превращается в углеродоазотистый мартенсит, обладающий более высоким сопротивлением износу и меньшим значением коэффициента трения, чем обычный углеродистый мартенсит. Износостойкость такого слоя на 40…60 % превосходит износостойкость обычного цементованного слоя.

Преимущество углеродоазотистого мартенсита настолько велико, что в ряде отраслей машиностроительного производства процесс нитроцементации полностью вытеснил технологию газовой цементации.

Разновидности процесса

цианирование стали

Низкотемпературное цианирование проводится в нескольких вариантах:

  1. В безмуфельных агрегатах при температурах 8500С.
  2. В среде генераторного или светильного газа в смеси с аммиаком (температура – до 8200С).
  3. В расплавах цианистых солей, преимущественно калия или натрия (так называемый Тенифер-процесс).
  4. В расплавах с мочевиной и карбонитратами.
Все процессы основываются на проверенной технологии азотирования с контролируемым потенциалом, главное достоинство которой заключается в хорошей управляемости. при обеспечении желаемых свойств поверхностного слоя.

Последовательность нитроцементации предполагает одновременную диффузию углерода и азота в стальную поверхность. Цель этой обработки - создать упрочнённый поверхностный слой, повышающий:

  • износостойкость;
  • коррозионную стойкость;
  • усталостную прочность.

Обрабатываемые цианированием стальные или чугунные детали не имеют искажений формы или изменения размеров. Чтобы поддерживать надлежащую концентрацию образующегося азота и углерода на поверхности металла, обычно предусматривается сквозной контроль потенциалов азотирования и науглероживания. В этом случае свойства поверхностно упрочнённого слоя не только определяются толщиной и относительным фазовым составом, но также сильно зависят от уровня пористости поверхности (при наличии ограниченного числа пор повышается способность материала удерживать технологическую смазку).

Рассмотренные способы позволяют эффективно упрочнять не только конструкционные, но и инструментальные стали. Чаще применяют именно низкотемпературную нитроцементацию, несмотря на то, что данный процесс характеризуется увеличенной продолжительностью.

Сравнительные испытания эффективности разных методов химико-термической обработки показывают, что прирост долговечности нитроцементованных деталей достигает 50%, а увеличение стойкости металлорежущего и штампового инструмента составляет в 2…6 раз.

Области применения

Цианирование технология

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 8500С (против 9200С) при газовом цианировании, а также температуры закалки нитроцементованных деталей до 8200С 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.

цианирование руды

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.

Цианидное кучное выщелачивание используется для относительно низкокачественной руды или - иногда - для переработки отходов других методов добычи полезных ископаемых (например, оставшихся «хвостов" шахт).

Плюсы и минусы

При несомненных преимуществах, выражающихся в повышенных эксплуатационных характеристиках цианированной поверхности, процессы нитроцементации имеют и свои ограничения:

  • Повышенные требования к технике безопасности и вопросам охраны окружающей среды;
  • Необходимость в точном регуклировании режимов обработки, поскольку при превышении времени цианирования поверхность получается твёрдой и хрупкой;
  • Невозможность использования нитроцементации для химико-термической обработки сталей, которые содержат алюминий.

Большинство этих недостатков устраняется тщательным контролем безопасности работ, который касается соблюдения правил хранения и транспортировки цианидсодержащих реагентов, а также своевременным регламентным обслуживанием производственного оборудования.