Изделия из стали, которые применяются в узлах трения, например, в шестернях редукторов, требуют повышенной прочности для увеличения срока службы и надежности работы узлов. Высокопрочная легированная сталь имеет высокую стоимость и трудно обрабатывается. Вместе с тем, для большинства узлов не требуется высокая прочность всего объема детали, а только поверхностного слоя, непосредственно воспринимающего нагрузку. Для таких целей разработаны методы упрочнения поверхностного слоя, одним из них является нитроцементация.
Нитроцементация стали
Среди химико-физических методов можно выделить следующие:
- цементация;
- азотирование;
- цианирование;
- нитроцементация.
Два последних пункта подразумевают насыщение атомами азота и углерода тонкого внешнего слоя металла, но различаются технологией применения. Нитроцементация стали производится в газовой среде, а цианирование ведется в жидком расплаве солей. Рассмотрим метод нитроцементации подробнее.
Содержание
- Технология нитроцементации
- Низкотемпературная нитроцементация
- Структурные изменения в металле
- Достоинства и недостатки нитроцементации
- Вам также могут быть интересны статьи:
Технология нитроцементации
Сущность и назначение нитроцеменетации стали заключается в особой методике процесса обработки тонкого внешнего слоя металла, который производится следующим образом. Заготовку для нитроцементации металла помещают в среду из смеси газов, в которую входит аммиак и углеродосодержащий газ. Далее металл нагревают и выдерживают в газовой смеси некоторое время. При этом происходит диффузия атомов углерода и азота в металл. Изменяются его физико-механические свойства. Попутно образуются твердые растворы соединений углерода, азота и железа.
Влияние температуры и длительности на глубину нитроцементации
Присутствие азота в атмосфере приводит к следующим особенностям нитроцеменетации, в отличие от цементации:
- Дополнительное насыщение поверхности азотом;
- Снижение температуры нагрева для возможности осуществления процесса;
- Ускорение процесса диффузии углерода.
Варьируя параметры процесса, то есть состав газовой смеси, температуру, время обработки, можно изменять глубину воздействия. Исследования показали, что с повышением температуры увеличивается скорость диффузии углерода и азота в глубину металла. Глубина проникновения атомов газа в металл регулируется временем выдержки нагретого изделия в рабочей среде.
По сути, нитроцементация и цианирование – это виды нитроцементации, которые различаются технологией. Детали, поверхность которых упрочнена посредством цианирования или нитроцементации, будут иметь одинаковые технические характеристики. При цианировании обрабатываемые детали помещают в расплав цианистых солей натрия или кальция. Температура обработки остается примерно такая же, как и при газовой обработке. При цианировании можно легко получить легированный слой металла до 2-х мм, но при этом следует помнить, что при увеличении толщины слоя в структуре начинают появляться темные области, хорошо заметные под микроскопом, которые указывают на избыток азота на границах кристаллов. Данные области снижают механическую прочность, увеличивая хрупкость металла.
Применение нитроцементации или цианирования возможно только для легированных сталей, в которых углерод содержится в количестве не более 0.25%.
Для осуществления процесса диффузии азота и углерода из среды газа необходим нагрев металла до температуры 700 – 950 °С. Наиболее часто работа ведется при температуре нитроцементации 850 – 870 °С. Данные значения температуры лишь немного превышают температуру закалки и поэтому позволяют упростить процесс закалки деталей, снижают вероятность деформации и сокращают общее время производственного цикла. Уменьшить развитие деформации может также ступенчатая закалка в горячем масле. Все сказанное говорит о том, что данный вид обработки наиболее применим к деталям сложной геометрической формы, у которых повышенные требования к форме поверхности и совершенно недопустимо образование закалочных трещин.
Нитроцементация
Основная область применения нитроцементации стали – машиностроение и автомобильная промышленность. Более 90% автомобильных деталей – шестерен редукторов, валов, упрочняются при помощи нитроцианирования. Данный процесс упрочнения стали является основным в технологии производства зубчатых колес любого назначения, а также некоторых категорий инструмента из быстрорежущей стали.
Низкотемпературная нитроцементация
В некоторых областях применения нет необходимости в большой толщине обработанного упрочненного внешнего слоя. Изменив состав исходной газовой смеси, выполняют нитроцементацию металла при более щадящих температурах, чем при стандартном процессе. Используя смесь аммиака с метаном или эндогазом в равных пропорциях (по 50%) при сравнительно небольшой температуре 570°С в течении времени от получаса до 3-х часов получают тонкий поверхностный слой карбонитрида Fe3(N,C). Такой слой имеет очень высокую твердость и износоустойчивость.
Нитроцементация с низкой температурой выполняется в качестве окончательной операции уже после термической обработки — закалки и отпуска. Высокая твердость поверхности определяет область применения технологии для увеличения срока службы быстрорежущего инструмента.
Структурные изменения в металле
При внедрении атомов азота и углерода в поверхностном слое металла происходят некоторые изменения. При нитроцианировании меняется соотношение остаточного количества аустенитов и мелкокристаллических мартенситов в поверхностном слое, добавляется небольшое количество твердого раствора карбонитридов, что влияет на механические свойства – твердость и износостойкость.
Такая особенность структуры нитроцементированного слоя, как повышение количества аустенитов, улучшает прирабатываемость стали, что важно при работе зубчатых передач, поскольку снижается шумность работы механизмов.
В то же время несколько повышается хрупкость и снижается усталостная и контактная прочность. Особенно это качество проявляется в легированной стали с содержанием никеля более 1.2 %. Таким образом, не все марки стали допустимо обрабатывать по данной методике. Уменьшение размеров зерен структуры достигается путем дополнительной закалки и отпуска непосредственно после процесса нитроцементации. Обработанная таким образом сталь имеет меньший размер зерен, чем цементированная, что повышает ее прочность на изгиб при одновременном уменьшении толщины обработанного слоя.
По окончании процесса обработки содержание азота в слое доходит до 0.4%, а углерода до 0.9%.
Нитроцементация существенно изменяет характеристики тонкого наружного слоя металла, его твердость и износостойкость. После дополнительной термической обработки – закалки, твердость поверхностного слоя по шкале Роквелла составляет 58-64 HRC или 500 – 1000 HV по методу Виккерса. Применяя низкотемпературную цементацию, можно получить тонкий поверхностный слой с твердостью 5000 – 11000 HV.
Достоинства и недостатки нитроцементации
Среди достоинств нитроцементации можно отметить высокую технологичность процесса, простоту и удобство регулировки параметров. Подбирая температурный режим, состав газовой смеси и, в особенности, время обработки, можно легко регулировать толщину насыщаемого слоя в зависимости от предъявляемых требований. Низкая температура обработки снижает риск деформации изделия и упрощает дальнейшую закалку, поскольку необходимо лишь минимальное время для снижения температуры заготовки. Таким образом уменьшается время технологического цикла производства продукции. Обработанные изделия имеют высокое качество поверхности и отличные физико-механические свойства. У низколегированных сталей после обработки наблюдается повышение коррозионной стойкости.
Микроструктура нитроцементованных слоев
Среди множества полезных свойств нельзя забывать, что подобная методика обработки металла имеет и недостатки. Самый существенный недостаток такой разновидности нитроцементации, как цианирование – высокая токсичность компонентов производства. Для насыщения азотом и углеродом используются цианистые соли натрия и кальция, которые являются крайне токсичными веществами.
Менее существенный недостаток, который во многих областях применения является несущественным – несколько повышенная хрупкость металла после обработки. Но поскольку изменения затрагивают только сравнительно тонкий слой, данная характеристика является несущественной и нивелируется повышенной сопротивляемостью материала к износу.
При производстве деталей, нуждающихся в цианировании и последующей закалке необходимо строго соблюдать последовательность и время выполнения частей технологического процесса. Так закалка должна выполняться сразу же после окончания процесса насыщения, поскольку повторный нагрев заготовки приведет к оттоку молекул азота от обработанной поверхности. Уменьшение концентрации азота может составлять до 60%.
Как уже говорилось, низкая температура обработки позволяет объединить в едином процессе несколько видов обработки. Детали после окончания процесса насыщения требуют небольшого времени на подстуживание для дальнейшей закалки в масле. Таким образом, закалку в масле можно производить непосредственно в нитроцементационной печи.
Все виды нитроцементации засчет ускорения насыщения стали углеродом по сравнению с цементацией дают преимущество во времени обработки до 50-60%. Таким образом, основные преимущества нитроцементации заключаются в сокращении времени производства с минимальным риском отрицательного воздействия на геометрию деталей. Одновременно повышаются эксплуатационные качества благодаря присутствию азота.
Состав газовой смеси достаточно просто регулировать как до, так и в процессе обработки. Значительно сокращается время нагрева составляющих процесса, так как газ, подаваемый в камеру, может уже иметь необходимую температуру.
Поскольку процессы нитроцементации и цементации технологически очень похожи, для них может использоваться одно и тоже оборудование, что существенно облегчает переход на иной ассортимент продукции или изменение технологии производства.
Источник: