Карбонитрирование стали

Содержание

В ключевое отличие между цементацией и нитроцементацией заключается в том, что Науглероживание – это процесс упрочнения стальной поверхности с использованием углерода, тогда как карбонитрирование – это процесс упрочнения стальной поверхности с использованием углерода и азота.

Закалка – это производственный процесс повышения твердости металла, например стали. Поверхностную закалку стали можно проводить двумя способами: поверхностной закалкой и поверхностной закалкой. Цементная закалка увеличивает твердость поверхности металла за счет вливания элементов в поверхность материала, образуя тонкий слой более твердого сплава. Напротив, поверхностное упрочнение увеличивает твердость поверхности, в то время как сердцевина остается относительно мягкой. Поверхностное упрочнение также включает два процесса, известных как дифференциальное поверхностное упрочнение и дифференциальное упрочнение металлической структуры. Науглероживание и нитроцементация – это два метода, используемые в процессе дифференцированного упрочнения структуры металла.

1. Обзор и основные отличия 2. Что такое науглероживание 3. Что такое карбонитрирование 4. Сравнение бок о бок – науглероживание и нитроцементация в табличной форме 5. Резюме

Разновидности металла, который можно обрабатывать

Выделяют три основные группы металла, который используется для закалки:

1. Сталь с неупрочняемой сердцевиной. В эту группу входят следующие марки стали, пригодной для цементирования — 20, 15 и 10. Эти детали имеют небольшой размер, используются для эксплуатации в бытовых условиях. Во время закалки происходит трансформация аустенита в феррито-перлитную смесь.
2. Сталь со слабо упрочняемой сердцевиной. В эту группу вошли металлы таких марок, как 20Х, 15Х (хромистые низколегированные стали). В этом случае проводят дополнительную процедуру лигирования с помощью небольших доз ванадия. Это обеспечивает получение мелкого зерна, что приводит к получению более вязкого и пластичного металла.
3. Сталь с сильно упрочняемой сердцевиной. Этот вид металла используют для изготовления деталей со сложной конфигурацией или большим сечением, которые выдерживают различные ударные нагрузки, подвергаются воздействию переменного тока. В процессе закалки вводится никель или при его дефиците используют марганец, при этом для дробления зерна добавляют малые дозы титана или ванадия.

Читать также: Профилегиб ручной своими руками как сделать

В целом процесс цементации стали необходим для улучшения износостойкости и прочности деталей.

Чаще всего цементации подвергаются валы, оси, лезвия ножей, детали подшипников и зубчатые колеса.

Как происходит цементация стали в твердой среде на предприятии и в условиях домашнего цеха?

Смесь для твердой цементации готовится из бария, кальция с древесным углем и углекислого натрия. Уголь лучше брать из дуба или березы и разделить его небольшие фракции, не более десяти миллиметров. Чтобы удалить лишнюю пыль, уголь рекомендуют просеять. Соли тоже измельчают до состояния порошка и пропускают через сито.

Существует две методики для приготовления смеси:

1. Уголь из дерева поливают солью, которую предварительно растворяют в воде. Получившуюся смесь высушивают, ее влажность должна быть не более 7%.
2. Сухой уголь и соль тщательно перемешивают, чтобы исключить возможность появления пятен уже в процессе химической и термической обработки.

При этом, первая методика считается более качественной. Так как она гарантирует, что смесь выйдет равномерной, а результат без пятен и разводов. Готовую смесь еще называют карбюризатором.

Сам процесс твердой цементации проходит в специальных ящиках, где насыпана смесь в нужном количестве. Идеально, если ящики соответствуют размеру и форме изделия, которое обрабатывают. Так как в этом случае снижаются затраты времени на прогрев тары, а качество слоя цементации улучшается. Для избежания утечки газа щели замазывают специальной огнеупорной глиной и накрывают все плотно прилегающей крышкой.

Следует обратить внимание, что изготавливать тару, идеально подходящую, экономически выгодно, если речь идет о конвейерной процедуре. Если же нужно одну или две детали закалить, то лучше выбрать тару универсальной формы — квадратную, круглую или прямоугольную. Ящики выбирают из малоуглеродистой или жаростойкой стали

Ящики выбирают из малоуглеродистой или жаростойкой стали.

Сам процесс цементации в твердой смеси проходит следующим образом:

• детали, которые необходимо закалить, равномерно укладываются в ящики, наполненные твердым карбюризатором;
• печь разогревают до 900−1000 градусов и подают в нее тару с изделиями;
• прогрев ящиков проходит при температуре от 500 до 700 градусов. Этот прогрев называют сквозным. Сигналом, что печь накалилась до нужной температуры служит однородный цвет подовой плиты, на ней больше нет темных участков под ящиками;
• температуру поднимают до 900 или 1000 градусов по Цельсию.

Именно при таком температурном режиме происходят диффузные изменения в структуре деталей на уровне атомов.

В домашних условиях достаточно сложно нагреть печь до нужной температуры и выдержать весь температурный режим от начала и до конца. При этом все возможно. Следует помнить, что эффективность домашней цементации намного ниже, чем промышленной.

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.

PulsPlasma – азотирование

Первое применение азотирования в плазме появилось в 30-х и 40-х годах прошлого столетия. Позже, в 60-70-х годах этот метод развился до индустриальных масштабов. Первые установки азотирования в плазме имели холодные стенки камеры и работали с постоянным током. Дальнейший толчок в развитии азотирование в плазме получило в середине 80-х годов с появлением т.н. пульсирующего метода. При этом возбуждение плазмы достигается посредством пульсирующего постоянного напряжения. Появление электрической дуги избегается с помощью постоянного прерывания напряжения. Также необходимо разделять подводимую мощность плазмы и нагрев деталей до температуры обработки. Установки постоянного тока с необходимостью охлаждения стенок камеры для отвода избыточной тепловой энергии (установки с холодными стенками) постепенно теряют актуальность. Установки с горячими стенками с отдельным нагревом стенок камеры являются сегодня стандартом в плазменном азотировании.

При классических процессах азотирования и карбонитрирования в расплаве солей и газах происходит диссоциация азотосодержащих компонентов и образование азотированного слоя вследствие термохимического процесса в условиях атмосферного давления или небольшого избытка давления. Для разложения азотосодержащих компонентов, активации процесса и образовании нитридов необходима энергия термической реакции. Для поддержания процесса азотирования существует минимальная температура, при которой процесс насыщения еще не идет или идет очень медленно, что экономически не выгодно. Необходимые температуры процессов приведены в таблице 1.

В противоположность названным выше процессам при PulsPlasma – азотировании необходима энергия возбужденного газа (плазма тлеющего разряда), чтобы активировать необходимую реакцию для образования связующего слоя (СС) и диссоциации молекул азота на атомы.

Азотируемые детали, сформированные в садку, помещаются в нагреваемую вакуумную камеру. После откачки до рабочего давления (50 до 400 Па) между садкой (катод) и стенкой камеры (анод) прикладывают пульсирующее напряжение более сотни вольт, так что находящийся в камере газ ионизируется и становится электропроводным. В зависимости от величины приложенного напряжения между обрабатываемыми деталями и стенкой камеры зажигается тлеющий разряд, который в зависимости от давления, температуры и газа характеризуется определенным свечением. Активные атомы азота в смеси обрабатывающих газов могут образовывать с атомами железа азотируемой стали химическое соединение. Кроме того атомы азота диффундируют в зависимости от температуры и времени в глубь стали.

Для PulsPlasma – азотирования или карбонитрирования применяют смеси азота и водорода и газы с добавками углерода, как, к примеру, метан. В процессе азотирования происходит осаждение на поверхности обрабатываемой детали атомов азота с образованием нитрида железа FexNy – связующего слоя СС. В зависимости от продолжительности процесса насыщения и температуры атомы азота проникают вглубь приграничной зоны и образуют диффузионный слой (ДС). Этот азот может располагаться как в кристаллической решетке железа, так и содержаться в виде соединений. Образованные с помощью PulsPlasma – процесса слои в основном имеют схожее строение со слоями, полученными другими методами азотирования. СС располагается, в зависимости от материала и параметров процесса, в области около 1 – 20 мкм. Толщина диффузионной зоны, характеризующей толщину упрочненного слоя, может составлять при стандартных условиях азотирования до 0,6 мм.

Азотирование на глубину больше 0,6 мм, к примеру, для высоконагруженных деталей редукторов, возможно в случае подбора подходящего материала.

Свойства карбидов вольфрама

При высоких значениях температуры плавления, термостойкость карбидов вольфрама – достаточно низкая. Объясняется такое противоречие просто:  кристаллическая структура и WC, и  W2С – весьма жёсткая, поэтому термическое расширение практически отсутствует. С другой стороны карбид вольфрама обладает значительной теплопроводностью, причём для WC этот параметр с повышением температуры возрастает вдвое интенсивнее, чем у W2С.

Оптимальным диапазоном температур эксплуатации деталей, изготовленных из карбидов вольфрама, считается 200…3000С. С увеличением процентного содержания кобальта в твёрдых сплавах (до 20…25%) допустимые температуры эксплуатации возрастают до 700…8000С, превышая температуростойкость всех известных марок сталей (за исключением жаропрочных).

Карбиды вольфрама – соединения с хорошей электропроводностью, причём для WC этот показатель выше, чем у W2C, практически в 4 раза. Удельное электросопротивление карбидов вольфрама растёт при повышении температуры. Пропорционально этому, кстати, падают показатели упругости. Именно поэтому карбиды вольфрама хорошо обрабатываются электрофизическими методами: локальное введение  высококонцентрированного источника тепла (дуга, искра, электрический импульс)  повышает температуру в зоне обработки и способствует размерному разрушению структуры рассматриваемых соединений.

С точки зрения практического применения для карбидов вольфрама большее значение имеют их механические показатели – твёрдость и хрупкость. Получаемая в итоге микротвёрдость зависит в основном от температуры, при которой в вольфрамовом порошке формируются карбиды  (менее — от степени их пористости). При повышении температуры дефекты в зёрнах залечиваются, поскольку возрастает подвижность атомов вольфрама и углерода. Поэтому конечная микротвёрдость соединений возрастает.  При этом анизотропия свойств выражается значительно меньше, чем аналогичный показатель для металлов. Это упрощает предварительное ориентирование заготовки перед её обработкой.

Упругость карбидов вольфрама – максимальная для своего класса соединений тугоплавких металлов с углеродом, причём она возрастает с увеличением пористости

Это обстоятельство важно для изделий  (в химсоставе которых присутствуют карбиды вольфрама), работающих в условиях знакопеременных нагрузок

Пластичность карбидов вольфрама крайне низка, и не превышает 0,015%.

Технология цементации стали

Этот процесс подразумевает диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных заготовок углеродом. Обработка осуществляется в карбюризаторе, выделяющем активный углерод, при температурах устойчивости аустенита – 850-950°C, хорошо растворяющего большое количество углерода. Для завершения процесса после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Результаты химико-термической и термической обработок в комплексе:

• высокая твердость и износостойкость поверхности;
• повышение предела контактной устойчивости;
• улучшение показателей предела выносливости при изгибе и кручении.

Внимание! Желаемый эффект достигается на сталях с низким содержанием углерода – до 0,2%. Без цементации такие марки закалить невозможно. Чаще всего цементации подвергают легированные стали

Чаще всего цементации подвергают легированные стали.

Эта операция является длительной, поскольку процесс науглероживания протекает очень медленно. Основные типы сред для цементации (карбюризаторов):

• твердые;
• газообразные;
• растворы электролитов;
• пасты;
• кипящий слой.

Отличительные признаки:

• Модульная компоновка (подготовительный, основной, экологический модули, а также модуль охлаждения и промывки) позволяет в широких пределах варировать конфигурацией оборудования и технологиями упрочнения.
• Обработка с частичным погружением позволяет проводить упрочнение отдельных участков деталей.
• Высокая скорость обработки деталей в расплавах, по сравнению с газовыми технологиями достигаются за счет значительного сокращения времени прогрева и выдержки.
• Отсутствие газообразных выбросов и жидких отходов обеспечивается экологическим модулем, в который входит воздушный фильтр и испаритель промышленных стоков.

Структура карбонитрированного слоя

В процессе карбонитрации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из нескольких зон. Верхний слой представляет собой ε-карбонитрид типа Fe3 (N, C) — зона соединений (Compound layer), т. н. «белый слой», под которым находится диффузионная зона (Diffusion layer), т. н. «гетерофазный слой», состоящий из твердого раствора углерода и азота в железе с включениями карбонитридных фаз, твердость которой значительно выше твердости сердцевины.

Типовая микроструктура стали после карбонитрации

Схема образования упрочненного слоя в расплаве солей

Сталь 3. Карбонитрация 580 °С, 3 часа. Глубина слоя – 0,2 мм

Ниже приведены результаты проведенных компанией DURFERRITE (Германия) коррозионных испытаний упрочненного слоя, полученного методом TENIFER-QPQ, в сравнении с другими способами поверхностной обработки.

Зависимость износа образца из Cтали 20 от пути трения со смазкой. Путь трения км х 100

Сравнение износостойкости образца из стали 40Х после карбонитрации (1) и газового азотирования в среде аммиака (2)

Коррозионные испытания (CASS) в соответствии с немецким стандартом DIN 50021 стали SAE 1045

На указанных примерах наглядно видны преимущества карбонитрированного слоя по сравнению с традиционными, наиболее часто применяемыми у нас процессами поверхностной обработки: цементацией, азотированием, хромированием. Кроме того, следует отметить, что при хромировании снижается усталостная прочность при циклическом изгибе основного материала. По сравнению с этим, при карбонитрировании всегда увеличивается усталостная прочность. После карбонитрации с последующим оксидированием повышение усталостной прочности составляет более 50%, в то время как после твердого хромирования усталостная прочность, наоборот, снижается на 20%.

Всё вышесказанное предопределило массовое распространение технологии жидкостного карбонитрирования за рубежом. Какова же ситуация в нашей стране?

Таблица 3. Результат теста на коррозионную устойчивость стали С45 (3% NaCl, 0.1% H2O2) 

Исследованные виды поверхностного упрочнения	Потеря в весе в г/м2 через 24 ч
Карбонитрация с последующим оксидированием + полировка + оксидирование (QPQ)	0,34
Твердое хромирование: 12 мкм	7,10
Двойное хромирование: 20 мкм мягкого хрома, 25 мкм твердого хрома	7,20
Никель: 20 мкм	2,90
Тройное покрытие: 37 мкм меди, 45 мкм никеля, 1,3 мкм хрома	1,45

Это интересно: Карбид вольфрама — свойства и обработка сплава

Совершенствование комплексного азото-углеродного насыщения – низкотемпературная карбонитрация

НОК-процесс – низкотемпературное оксикарбонитрирование – впервые был разработан российскими учеными, а затем дорабатывался немецкими исследователями и получил название QPQ. Преимущества:

• первоначальная цель – улучшение товарного вида;
• резкое снижение коэффициента трения;
• коррозионная стойкость марок перлитного и аустенитного классов, обработанных способом НОК, превышает аналогичный показатель этих материалов, хромированных гальваническим методом;
• себестоимость на 40% ниже, по сравнению с гальваническими покрытиями.

Этапы НОК-процесса:

• карбонитрация;
• охлаждение и выдержка в расплаве ванны оксидирования при 350-400°C;
• охлаждение на воздухе;
• промывка;
• полирование;
• повтор оксидирования;
• промывка.

Данная технология рассматривается в качестве эффективной и экономичной альтернативы гальваническому хромированию для низколегированных сталей перлитного класса и хромистых коррозионностойких.

Технология карбонитрации стали

Карбонитрация может проводиться деталями любых размеров, из любых сплавов стали и чугуна. Причем возможно подвергать обработке только отдельные участки детали, повышение твердости которых необходимо. Для этого процесса применяется состав солей, в основе которых лежат меламин и дицианидиамид. Соли расплавляются при температуре свыше 550 градусов. Длительность выдержки обрабатываемых деталей может значительно разниться. Для небольших предметов, в основном режущего инструмента, достаточно получаса вдержки. Большие предметы могут обрабатываться более 4 часов. Расчет времени проводится на основе размеров предмета, требуемых конечных характеристик и необходимый толщины карбонизированного слоя.

Технология не слишком сложная, главное соблюдать требуемый диапазон рабочих температур и учитывать марку стали обрабатываемых деталей.

Она помогает добиться повышенных характеристик прочности стали, устойчивости к коррозии и воздействию высоких нагрузок.

В конце обработки на поверхности стали образуется несколько слоев. Первый слой – карбонидный, защищающий сердцевину. С каждым новым слоем концентрация азота и углерода в составе стали уменьшается.

Традиционная технология выглядит следующим образом:

• предмету придается конечная форма и требуемые геометрические параметры, после чего он направляется на обработку (если требуется полировка, размеры детали можно немного увеличить);
• проводится первичная обработка, в которую входит очистка от загрязнений, окисления и обезжиривается поверхность;
• нагрев и опускание в соленую смесь;
• после карбонитрации сталь охлаждается (можно применять различные методы, используя воду, масло, или оставляя на воздухе);
• конечная очистка, промывка и просушка.

Эта технология становиться все более популярной из-за ряда преимуществ, выделяющих ее среди аналогов. К ним можно отнести:

Качество верхнего слоя. Карбонитридная структура значительно превышает характеристики нитридных, так как она более пластичная и не такая хрупкая.
Экологичность. Данный процесс наиболее экологически чистый среди аналогов, так как в процессе производства практически не выделяются испарения.
Равномерность. В расплавленных солях металл равномерно прогревается, из-за чего диффузные процессы более качественные.
Отсутствие деформации. Температуры расплавленных солей недостаточно для того, чтобы на поверхности предмета образовалось напряжение и произошла деформация. Изначальные и конечные геометрические параметры детали не отличаются.
Повышение стойкость. Обработанные предметы становятся более стойкими к нагрузкам, воздействию коррозии и становятся более долговечными. Каждый из этих параметров может превышать первоначальные более чем на 70%.
Пластичность покрытия

Готовое покрытие становится менее хрупким, что особо важно в процессе эксплуатации готовых деталей, особенно режущих кромок. При этом снижается коэффициент трения, что также значительно увеличивает срок эксплуатации.
С помощью карбонитрации сталь даже низких марок, пример, стали 20 марки, которые не отличаются прочностными характеристиками, можно улучшать, приближая их свойства к параметрам дорогих марок стали, которые сложнее обрабатывать

Это позволяет экономить не только на покупке сырья, но и на процессе обработки.
Обработанные детали не требуют дополнительной обработки. После выполнения карбонитрации, деталь или предмет можно полноценно эксплуатировать. В некоторых случаях требуется поверхностная обработка, которая не влияет на физические свойства.

Из-за безопасности и простоты технологии, ее можно выполнять даже в домашних условиях, но проще воспользоваться услугами, которые предоставляют некоторые предприятия и небольшие мастерские. Особенно если требуется разовая обработка, так как нецелесообразно устанавливать специальную печь и искать подходящую солевую смесь.

Подобная обработка широко распространена для следующих предметов:

• режущий инструмент, в том числе ножи, сверла для электроинструмента, фрезы для станков;
• формы для прессов, предусматривающих воздействие высокого давления;
• элементы пары трения и зубчатых передач, в том числе шестерни, валы и колеса;
• детали и элементы насосных установок.

Номенклатура обрабатываемых предметов постоянно растет, очень часто производители для надежности обрабатывают весь спектр производимых деталей, независимо от того, требуется она или нет. Это обусловлено простотой и относительной дешевизной такой процедуры.

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

Общая информация о процессе

В первую очередь необходимо понимать основы термической обработки стали.

К особенностям цементации металла относят следующие факторы:

Благодаря процедуре цементируемые стали становятся прочнее, что повышает износостойкость и прочность материала;
Свойства эксплуатации металла изменяются за счет нагрева изделий в жидкости, газовой или твердой среде, что улучшает ее характеристики;
Нагревание деталей можно до разных температур, нет ограниченной константы и точных рекомендаций. В домашних условиях процесс цементации проходит при температуре 500 градусов по Цельсию. В промышленных условиях с использованием профессионального оборудования температура нагрева в печи достигает более 1300 градусов по Цельсию. Следует знать, что температуру выбирают, учитывая концентрацию примесей и углерода.
Профессионалы рекомендуют в домашних условиях цементировать низкоуглеродистые виды стали (приблизительно 0,2%). Например, лезвие от недорогого кухонного ножа, изготовленного из стали или небольшие детали.
В структуру стали углерод проникает довольно медленно. Поэтому цементация лезвия ножа в условиях домашней процедуры происходит со скоростью не более 0,1 мл в час. Чтобы это же лезвие выдерживало более сильные нагрузки, нужно усиливать слой толщиной до 0,8 мл в час

Еще важно понимать, что цементация ножа или небольшого вала в условиях домашнего цеха займет минимум восемь часов. При этом следует удерживать определенную температуру в печи, чтобы не нарушить температурный режим.
В процессе цементации изменяется не только свойство металла, но и его фазовый состав и атомная решетка

В целом поверхность получает такие же характеристики, как и при закалке, но при этом существует возможность контроля в узком диапазоне температур, чтобы избежать различных дефектов материала.

Осуществить цементацию нержавеющий стали немного сложнее, но в то же время это качественно улучшит характеристики этого вида металла.