Улучшение эксплуатационных характеристик стали цианированием

Специальная обработка металла позволяет упрочнить поверхность, а также придать ей нужные эксплуатационные характеристики. Общее название процедуры — операция улучшения поверхностных слоев, что сразу объясняет суть обработки. Цианирование в отдельных случаях является единственным оправданным способом улучшения свойств металла. Среди химико-термических методов обработки именно данный способ самый распространенный благодаря своей простоте и невысокой стоимости. Всего за несколько часов характеристики изделия существенно улучшаются при соблюдении всех требований к выполнению операции.

Что такое цианирование

Процедурой цианирования называют насыщение поверхности разных металлических сплавов одновременно углеродом и азотом. В зависимости от использования основных материалов процессы могут называться совершенно по-разному. Если поверхность обрабатывается под воздействием газов, то такая процедура называется нитроцементацией. Цианирование предполагает обработку металла с использованием расплавленных солей. Чаще всего для этих целей используют цианистый натрий либо кальций. В больших электрованнах смесь расплавляется и ее температура поддерживается на протяжение всей процедуры.

Польза

Цианирование стали достаточно распространенная процедура, которая используется для улучшения свойств изделий, использующихся в различных сферах промышленности. Благодаря обработке можно достигнуть:

• повышения износостойкости поверхности детали;
• увеличения твердости;
• повышения уровня выносливости металла, при возникновении различных повреждений деталь сохранит свой функционал.

На цианированных поверхностях отмечается меньшее налипание материала, из-за чего снижается коэффициент трения при попадании стружки в механизмы. В среднем стойкость цианированных инструментов увеличивается в 1,5-2 раза. Целей проведения цианирования может быть очень много, а благодаря тщательно выверенному технологическому процессу большинство из них можно достаточно легко достигнуть.

Особенности процедуры

Цианирование выполняется на сталях различных марок, в том числе и на нержавейке. В зависимости от температурного режима, который соблюдался во время самой процедуры, улучшаются прочностные и эксплуатационные характеристики деталей. В зависимости от целей могут подбираться способы цианирования, а также состав смесей. Неправильный подбор технологии может стать причиной изменений отдельных характеристик в худшую сторону.

Диффузия веществ в поверхностные слои

В процессе цианирования происходит насыщение стали азотом и углеродом, за счет диффузии веществ в структуру металла. Поверхностный диффузионный слой предполагает изменение в своём составе показателей азота и углерода. Если при нагревании показатели азота существенно снижаются, то углерода — повышаются. Количество углерода в слое может повышаться непрерывно либо до нужного момента. Количество углерода также может снижаться на последних этапах обработки металла.

Благодаря таким особенностям степень насыщения поверхностного слоя может фиксироваться при различных температурных режимах цианирования. Также на степень насыщения существенное влияние оказывают особенности среды, где происходит обработка металлического сплава.

На особенности обработки сильно влияет азот, который напрямую воздействует на следующие параметры:

• глубину металлического слоя, на которой будут происходить диффузионные процессы;
• степень насыщенности слоя углеродом.

Очень важно подобрать соотношение всех составляющих в смеси для цианирования, так как при повышенном содержании азота диффузия будет происходить малоактивно, что приведет к образованию на поверхности металла различных образований. Правильно смешанный состав позволит достичь нужного результата при минимальных потерях.

Насыщение металлического сплава азотом и углеродом происходит в две стадии, которые сильно отличаются друг от друга. На первой стадии поверхностный слой насыщается одновременно двумя элементами, длительность этапа составляет от 1 до 3 часов. На втором этапе атомы азота могут переходить обратно в форму газа и выходить наружу. В данное время поверхностный слой продолжает насыщаться углеродом.

Особенностью цианирование стали выступает то, что углерод в процессе обработки проникает на меньшую глубину, в отличие от азота. Глубина проникновения веществ зависит только от структуры обрабатываемого материала. Стоит учесть, что изделия с небольшой толщиной могут иметь более высокие показатели хрупкости в отличие от деталей со стандартной толщиной.

Как происходит цианирование

Самый популярный вариант цианирования — низкотемпературная обработка. Метод применим для деталей и инструментов из быстрорежущих сталей. Сама процедура выполняется при температуре всего в 550-570 градусов по Цельсию в соляных ваннах.

Варианты цианистых ванн:

1. 50% цианистого калия и 50% цианистого натрия. Средняя температура плавления смеси около 490°С.
2. 96—98% цианистого натрия и 4—2% соды. Смесь плавится при температуре 550°С.
3. 60% цианистого натрия и 40% соды. Температура плавления состава около 440°С.

Первые две смеси достаточно густые. Последняя смесь, в состав которой входит натрий и сода, отличается более жидкой формой и отсутствием прилипания солей к металлической поверхности. Благодаря этим факторам последняя смесь используется гораздо чаще, чем остальные две.

Цианирование стали может проводиться исключительно после термической обработки металла и конечной его заточки. В процессе обработки стали детали погружаются в ёмкость с солями в жидком состоянии. Для этого чаще всего используются специальные крючки либо проволока, размер которых зависит от объема и веса детали. Время выдержки стальной детали составляет от 5 до 30 минут. После поднятия стальной детали из ёмкости на металле образовывается цианированный слой, толщина которого составляет 0,02-0,07 мм. Верхняя часть слоя имеет достаточно небольшую толщину, поэтому он очень быстро стирается в процессе эксплуатации. Внутренняя часть имеет большие прочностные характеристики, а также повышенную износостойкость.

Эффективность

Эффективность цианирования хоть и подтверждена, но не имеет единого показателя. Всё зависит не только от качества обработки, но и от способа переточки деталей, а также их характера износа. Наибольшая эффективность цианирования отмечается при обработке следующих инструментов:

• резьбовых и червячных фрез;
• фасонных резцов и метчиков;
• долбяков.

В процессе точки выполняется переточка исключительно по передней поверхности. Высокая эффективность обработки поверхности отмечается у сверл и зенкеров благодаря сохранению цианированного слоя на передних поверхностях и дополнительных режущих лезвий. Так как при переточке шлицевых фрез и отрезных резцов полностью удаляется слой, то после точки необходимо подвергать изделия повторной обработке.

Также стоит учесть, что цианирование способно увеличить хрупкость зубчиков детали. Так как материал изнашивается не только по задней стенке, то в будущем слой может выполнять роль абразива, что приведет к преждевременному изменению стойкости детали. Прежде, чем выполнять цианирование необходимо тщательно продумать где будет располагаться деталь.

Преимущества и недостатки обработки

Положительная сторона цианирования — весь процесс происходит при относительно невысоких температурах. Это позволяет не изнашивать используемое оборудование и предотвращать возникновение деформаций в обрабатываемых деталях.

После обработки структура отличается большей устойчивостью к различным повреждениям. Именно обработка при помощи цианирования позволяет в дальнейшем применять способ закаливания низколегированных сталей в масле. Остаточный аустенит, который присутствует в изделиях из стали, подвергшихся цианированию, обеспечивает улучшение параметров по следующим характеристикам:

• пластичность;
• ударная вязкость;
• прочность на изгиб.

Именно благодаря этим характеристикам цианированию могут подвергаться детали, которые в дальнейшем будут эксплуатироваться в условиях повышенных нагрузок.

Один из главных недостатков цианирования — после сложной обработки защитный слой может составлять всего 0,7-0,8 миллиметров. Так как в процессе работы используется азотированная и науглероживанная атмосфера, что очень важно контролировать количество этих материалов в воздухе, а также при необходимости проветривать помещение.

Сульфоцианирование

Данная обработка в большей степени напоминает процесс цианирования. Поверхность насыщается не только углеродом и азотом, но также и серой. Сульфоцианированные детали в большей степени обладают такими же характеристиками как и цианированные. Лучше всего сульфоцианированные детали показали себя в механизмах на средних нагрузках. Благодаря немного другой схеме цианирования предупреждается схватывание и наволакивание металла.

Нормальная температура плавления смеси составляет 560-580 градусов. Обработку стальных сплавов проводят преимущественно в жидких средах, но также возможно и в газовых. Так как сульфоцианированные детали обладают чуть большей прочностью, то их использование оправданно в качестве поршневых колец, чугунных втулок, разнообразных запчастей насоса.

Какая температура цианирования лучше

Важно учитывать многие факторы, которые будут влиять на эксплуатацию прибора. При низкотемпературном цианировании металл нагревается на минимальных показателях. Горячее цианирование предлагает использование ванн со средней температурой около 850 градусов.

В среднем цианирование занимает до 6 часов, поэтому первый результат видно достаточно быстро. На низких температурах происходит меньше деформации, поэтому изделия сохраняют свою геометрию и функциональность. В отдельных случаях бывает недостаточно низких температур, поэтому рекомендуется использование цианированных деталей горячим способом.

Итог

Цианирование — важная технологическая операция для улучшения эксплуатационных характеристик изделий из различных марок стали. Цианирование экономически оправданная процедура, которая актуальна для обработки материалов в промышленности.

Используемая литература и источники:

• Физико-химические основы раскисления стали / А.М.Самарин. — М.: Издательство Академии Наук СССР
• Аналитическая химия благородных металлов (комплект из 2 книг) / Ф. Бимиш. — М.: Мир
• Статья на Википедии