Нитроцементация (газовое цианирование)

Общие сведений. При газовом цианировании, называемом нитроцементацией, осуществляется процесс одновременного насыщения поверхности стальной детали углеродом и азотом. Для этого детали нагревают в среде, состоящей из цементующего газа и аммиака, т. е. нитроцементация совмещает в себе процессы газовой цементации и азотирования.

По сравнению с жидкостным цианированием нитроцементация имеет следующие преимущества: 1) безопасность процесса (отсутствуют ядовитые цианистые соли); 2) возможность регулирования процесса (изменение количеств подаваемого цементующего газа и аммиака); 3) дешевизна процесса (стоимость цементующего газа и аммиака ниже стоимости цианистых солей).

По сравнению с газовой цементацией нитроцементация также имеет преимущества: более низкая температура процесса (840— 860° С вместо 900—950° С), меньшая продолжительность процесса, меньшее выделение сажи, большая износостойкость деталей, увеличение срока службы печи и уменьшение расхода топлива (удешевление процесса). Нитроцементацию разделяют на высокотемпературную (для деталей из конструкционных сталей) и низкотемпературную (для режущего инструмента из быстрорежущих сталей).

Высокотемпературную нитроцементацию деталей из углеродистых и легированных сталей проводят при температуре 820— 870° С (иногда до 950° С). Высокотемпературная нитроцементация широко внедряется в промышленность, вытесняя не только жидкостное цианирование, но и газовую цементацию благодаря повышенной износостойкости и коррозионной стойкости, возможности комплексной механизации с автоматическим регулированием процесса, более высокой прокаливаемости и закаливаемости нитроцементованного слоя, что позволяет заменять слож-нолегированные стали менее легированными и углеродистыми. На результат нитроцементации влияют температура, продолжительность выдержки и соотношение цементующего газа и аммиака. С повышением температуры увеличиваются толщина слоя и содержание углерода, а содержание азота в поверхностном слое (см. рис. 109) уменьшается. Газовым карбюризатором при нитроцементации является смесь эндотермического газа, природного газа и аммиака (табл. 13).

Образовавшиеся активные атомы азота и углерода адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь детали. При нитроцементации необходимо регулировать степень поверхностного

насыщения стали азотом и углеродом, что позволяет получить оптимальные механические свойства. Суммарное содержание азота и углерода определяется толщиной нитроцементованного слоя и химическим составом стали (табл. 14).

несколько изменяется. В связи с отсутствием приборов автоматического регулирования азотного потенциала атмосферы необходимо строго регламентировать подачу аммиака. Аммиак подают на последних стадиях насыщения.

Схема системы автоматического регулирования 21-поддонного безмуфельного агрегата при нитроцементации приведена на рис. 112. Контролируемый газ отбирается у деталей вдали от мест подачи газа в печь (обычно на стороне печи, противоположной

  прекращая подачу городского газа. Расход городского газа контролируется ротаметром 14, При автоматическом регулировании процесса нитроцементации устанавливается постоянная подача эндогаза, аммиака и городского газа. Добавка городского газа, необходимая для поддержания заданного углеродного потенциала, осуществляется через систему автоматического регулирования. Так как нитроцементация проводится при более низкой температуре, разность углеродных потенциалов первого и второго периодов насыщения мала, поэтому при нитроцементации обычно не применяют ступенчатые режимы.

После нитроцементации детали подвергают непосредственной закалке (с подстуживанием). Для уменьшения коробления целесообразно проводить ступенчатую закалку в щелочной или масляной ванне, имеющей температуру 180—200° С. Так как азот увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и уменьшает критическую скорость закалки, можно применять ступенчатую закалку в горячих средах для крупных деталей.

В нитроцементованном слое при охлаждении в процессе закалки до температуры 20° С аустенит превращается в мартенсит; при этом в слое сохраняется большое количество остаточного аустенита (20—40%). Для более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит применяют обработку холодом и дробеструйный наклеп (возможно одновременное применение этих методов), что позволяет повысить не только твердость, но и предел выносливости (в нитроцементованном слое возникают напряжения сжатия).

После нитроцементации и закалки детали подвергают низкому отпуску. Для деталей, твердость которых должна быть выше HRC 60, температура отпуска принимается равной 160— 170° С; для деталей твердостью HRC 57—58, работающих в условиях значительных ударных нагрузок, температура отпуска не ниже 200—210° С.

  СО (32%)

(1—2%). При этом образуется некоторое количество аммиака; при температурах процесса он диссоциирует с выделением атомарного азота и водорода. Лучшие результаты получаются при применении триэтаноламина в смеси с водой (10%) (меньше выделение сажи и смолистых веществ). При разложении такой смеси в печи образуется газовая атмосфера с температурой в точке росы +9° С. Нитроцементацию триэтаноламином можно применять для деталей из конструкционных сталей (10, 20Х, 18ХГТ, 20Х2Н4А и Др.)> а также для инструмента из быстрорежущих сталей.

Оптимальная температура газового цианирования деталей триэтаноламином 860° С (в некоторых случаях температуру повышают до 920—940° С). После выдержки в зависимости от требуемой толщины слоя проводится непосредственная закалка в воду или масло (в зависимости от марки стали) и низкотемпературный отпуск. Для устранения избыточных количеств остаточного аусте-нита рекомендуется перед отпуском детали подвергать обработке холодом при минус 60° С. Чтобы в результате нитроцементации в поверхностном слое не было пересыщения углеродом и азотом и образования хрупких карбонитридных фаз, необходимо регулировать подачу триэтаноламина в печь. В качестве жидких карбюризаторов при проведении газового цианирования также можно применять керосин, пиробензол и синтин с добавками газообразного аммиака.

Для обеспечения достаточной циркуляции газа в рабочем пространстве печи необходима подача в печь технического азота. При отсутствии азота снижается толщина нитроцементованного слоя при одной и той же выдержке. При применении керосина для печи СШЦ-04.09/10 оптимальным является следующий расход компонентов, подаваемых в печь: 43—49% керосина, 14— 17% аммиака, 34—43% технического азота. При подаче жидкого карбюризатора в печь его расход измеряют в кубических сантиметрах в час (объем капель у различных капельниц неодинаков). Газовое цианирование триэтаноламином при 920—940° С по сравнению с газовой цементацией керосином повышает скорость процесса на 30—50%, а износостойкость поверхностного слоя примерно в 1,5 раза, облегчает и удешевляет производство, создает более безопасные условия труда.

Свойства, структура и дефекты нитроцементованной стали. Благодаря присутствию азота нитроцементованная сталь обладает более высокими механическими свойствами, чем цементованная сталь. Поэтому толщина слоя при нитроцементации должна быть меньше, чем при цементации, и значительно повышается предел прочности при изгибе и растяжении.

При небольших толщинах слоя предел выносливости цементованной и нитроцементованной сталей одинаков, но при большой толщине слоя предел выносливости нитроцементованной стали выше. После нитроцементации с непосредственной закалкой сталъ имеет более мелкое зерно, чем после цементации, что уменьшает склонность к хрупкому разрушению и повышает также предел выносливости. Ударная вязкость стали после цементации и нитроцементации примерно одинакова. Нитроцементованный слой обладает хорошей износо- и коррозионностойкостью. Но коррозионная стойкость нержавеющих сталей (14Х17Н2, 12X13) после нитроцементации снижается. По сравнению с цементацией при нитроцементации значительно повышается прокаливаемость и закаливаемость диффузионного слоя за счет легирования аусте-нита азотом. Применение ступенчатой закалки уменьшает коробление и позволяет уменьшить припуск на шлифование.

Повышенная прочность связана с влиянием азота на свойства стали. Влияние азота тем эффективнее, чем ниже температура нитроцементации. После медленного охлаждения микроструктура нитроцементованного слоя отличается от микроструктуры цементованного слоя наличием отдельных включений карбонитри-дов или тонкой поверхностной карбонитридной корочки. Оптимальной структурой после закалки и низкого отпуска является структура мелко или среднеигольчатого мартенсита с тем или иным (20—40%) количеством остаточного аустенита (рис. 113).

Повышенное содержание остаточного аустенита приводит к снижению контактной и усталостной прочности. На количество остаточного аустенита влияют температура нитроцементации, химический состав стали и суммарное содержание азота и углерода. Азот, присутствуя в слое, значительно повышает количество остаточного аустенита в легированных сталях. Так, в сталях с содержанием никеля 3,25—3,75% (12Х2Н4А, 20Х2Н4А) в закаленном слое сохраняется до 60—70% остаточного аустенита. Поэтому предельное содержание никеля в сталях должно быть не более 1,2%. Суммарное содержание углерода и азота должно быть в требуемых пределах (см. табл. 14). Снижение содержания углерода приводит к образованию структуры низкоуглеродистого мартенсита с трооститом. При увеличении содержания углерода возрастает количество остаточного аустенита и появляется карбонитридная фаза, снижающая устойчивость аустенита в связи с переходом азота и углерода в карбонитриды. При этом на поверхности появляется трооститная сетка (рис. 114). Присутствие карбонитридов в слое снижает также сопротивляемость ударным нагрузкам в результате охрупчивания слоя. При содержании азота в слое менее 0,1% вследствие внутреннего окисления происходит обеднение твердого раствора легирующими элементами и появляются продукты немартенситного превращения аустенита (трооститная сетка).

С повышением содержания азота в поверхностном слое появляется дефект в виде темных пятен, хорошо видных только на нетравленых шлифах, называемый темной составляющей (рис. 115). Темная составляющая представляет собой поры, возникающие

при большом давлении молекулярного азота в слое и заполненные окислами, образовавшимися в результате развития внутреннего окисления в эндотермических атмосферах. Этот дефект является необратимым и не устраняется повторной фазовой перекристаллизацией. Наличие темной составляющей снижает предел выносливости на 45—75%. Этот дефект наблюдается только при содержании азота в слое более 0,5%, поэтому содержание азота 0,45% считается предельным.

Дефектом нитроцементованного слоя является также и обезуглероживание, которое снижает предел выносливости на 20— 25%. Обезуглероживание может происходить при снижении углеродного потенциала в конце процесса, при нарушении соотношения углеродсодержащих и азотирующих компонентов газовой атмосферы, при передаче деталей из печи по воздуху в закалочный бак.

На механические свойства нитроцементованного слоя влияет процесс деазотирования. Азот, находящийся в стали в твердом растворе или в виде нитридов, при нагреве обладает способностью улетучиваться. При нитроцементации в первый период процесса происходит одновременное насыщение углеродом и азотом. Во втором периоде насыщение азотом приостанавливается, и даже при постоянном составе газовой среды концентрация азота на поверхности диффузионного слоя снижается. Деазотирование увеличивается с повышением температуры и длительности выдержки- При охлаждении на воздухе и повторных нагревах под закалку деазотирование достигает 90%. Поэтому высокие механические свойства стали могут быть получены только при непосредственной закалке после нитроцементации.