Цианирование стали для улучшения химической стабильности металла

Что это? Цианирование стали – метод поверхностной обработки металла. Он используется для улучшения химической и механической стабильности материала, а также для придания дополнительных свойств.

Как производится? В основе процесса лежит реакция стальной поверхности с цианидами, которые образуют цианидный слой, стойкий к окислению, коррозии и изнашиванию. Вот почему цианирование стали широко применяется в автомобилестроении и других отраслях.

Что такое цианирование стали простыми словами

Суть процесса цианирования заключается в одновременном насыщении кристаллической решетки поверхностных слоев стали молекулами углерода и азота.

Цианированию подвергают различные стальные сплавы, в том числе и нержавеющие. Такая обработка позволяет повысить прочность стали и улучшить эксплуатационные характеристики детали. Способ обработки, температурный режим и состав рабочей смеси подбирают, исходя из требований к готовым изделиям. Если при выборе технологии допускаются ошибки, это может привести к снижению качества металла.

Цианирование стали, как уже говорилось, приводите к насыщению верхних слоев стального сплава молекулами азота и углерода. Чем выше температура, при которой выполняется обработка, тем ниже становится концентрация первой составляющей, и выше – второй. Повышение углеродистости металла может происходить до определенного предела или в течение всего процесса, а затем – понижаться.

Эти особенности процесса цианирования стали позволяют контролировать степень насыщения верхних слоев металла азотом и углеродом, подбирая соответствующий температурный режим обработки и среду, в которой протекает процесс обработки.

От концентрации азота прямо зависит ряд параметров процесса цианирования, среди которых:

• глубина, на которую проникают молекулы в ходе диффузионного насыщения верхних слоев металла заготовок;
• углеродистоть поверхностных слоев стали после обработки.

Состав рабочей среды крайне важен при цианировании стальных сплавов, так как слишком высокая концентрация азота снижает интенсивность процесса диффузии, вследствие чего на поверхности заготовки формируются карбонитридные образования. Если процентные доли компонентов смеси подобраны правильно, обработка происходит с минимальными потерями и приводит к требуемым результатам.

Процесс цианирования стали протекает в два этапа, которые имеют свои особенности. На первом происходит одновременное насыщение верхних слоев металла азотом и углеродом, которое занимает от 1 до 3 часов. Вторая стадия начинается, когда на фоне продолжающегося повышения углеродистости начинается обратный переход азота в газообразное состояние, приводящий к снижению его содержания в кристаллической решетке стального сплава.

История цианирования стали

Способность водных растворов цианида растворять золото была обнаружена в конце XVIII века Карлом Вильгельмом Шееле. Багратион в 1844, Эльснер в 1864 и Фарадей в 1847 годах определили, что каждому атому золота необходимо наличие одного цианид-иона, иными словами – вывели стехиометрию данной реакции. Разработка цианидного процесса, позволяющего извлекать золото, была выполнена в 1887 году Джоном Стюартом Макартуром.

Золотодобыча на новых месторождениях в Южной Африке в 80-х годах XIX века осложнялась тем, что в них большей частью обнаруживались залежи колчеданных руд, извлекать из которых драгоценный металл в то время еще не умели.

Сотрудничество Д. С. Макартура с братьями Р. и У. Форрест позволило шотландской компании Tennant из Глазго в 1887 году разработать технологию, позволившую решить эту проблему. Из суспендированной измельченной рудной массы удавалось извлекать до 96 процентов чистого золота, что вызвало настоящий инвестиционный бум и открытие новых больших месторождений.

А в 90-х годах XIX века в Небраске США Гилберту С. Пейтону удалось усовершенствовать эту технологию, что позволило принадлежащему ему руднику в штате Юта стать первым коммерчески успешным горнодобывающим предприятием в Северной Америке, использующим цианирование для переработки золотой руды. Исследования Бодлендера подтвердили необходимость использования кислорода для протекания этой реакции с попутным образованием перекиси водорода.

Около 1900 года американскому металлургу Чарльзу Вашингтону Мерриллу и инженеру Томасу Беннету Кроу удалось улучшить очистку цианидной суспензии, применив вакуум и цинковую пыль (так называемый процесс Меррилла-Кроу).

Способы цианирования стали

Характерная особенность цианирования стальных сплавов заключается в том, что в ходе диффузии азот проникает в кристаллическую решетку глубже, чем углерод. На глубину насыщения этими элементами оказывает влияние структура стали. Важно понимать, что тонкие металлические заготовки в ходе такой обработки могут становиться чрезвычайно хрупкими.

Высокотемпературное цианирование

Рабочая температура высокотемпературного цианирования колеблется от +800 до +900 градусов по Цельсию. При такой обработке, называемой жидкостной цементацией стали, происходит науглероживание поверхностных слоев материала заготовок до показателей от 0,6 до 1,2 %. Глубина насыщения металла углеродом составляет от 0,15 до 2 мм.

Особенность высокотемпературного метода состоит в том, что после цианирования заготовки нуждаются в дополнительной термической обработке – закалке и низком отпуске. Структура полученного в результате упрочненного слоя состоит из прослойки, образованной азотистым мартенситом и покрывающей ее тонкой пленки из карбонитридов Fe₂ (C, N).

Низкотемпературное цианирование

Наиболее широкое применение получил низкотемпературный метод цианирования, с помощью которого обрабатывают детали и инструменты из быстрорежущей стали. Рабочая температура колеблется от +550 до +570 градусов по Цельсию и выполняется путем погружения в специальные соляные ванны. Данная технология предусматривает использование трех основных рецептур рабочей смеси:

• 50% цианистого калия и 50% цианистого натрия – такая смесь плавится при температуре +490 градусов по Цельсию;
• от 96 до 98% цианистого натрия и от 4 до 2% соды (температура плавления +550 градусов по Цельсию);
• 60% цианистого натрия и 40% соды (смесь плавится при +440 градусов по Цельсию).

Первым двум смесям свойственна густая консистенция. Приготовленную по третьей рецептуре жидкую среду используют значительно более часто, так как процесс цианирования в ней протекает без отложения солей на поверхности заготовок.

Достоинства и недостатки цианирования стали

Для чего нужно цианирование стали и каковы преимущества этой технологии:

1. При цианировании удается достичь большей прочности поверхностных слоев металла заготовок, чем при цементации. Кроме того, данную технологию отличают более высокие скорость и экономичность.
2. Не так интенсивно происходит изнашивание оборудования и не деформируются сами стальные заготовки благодаря относительно невысоким температурам обработки при цианировании в отличие от цементации.
3. Цианирование позволяет получать более устойчивую к механическим воздействиям структуру внешних слоев металла. Прошедшие такую обработку детали из низколегированной стали далее можно закаливать, используя для охлаждения масло. Характерное для подвергнутых цианированию стальных заготовок наличие остаточного аустенита наделяет металл:
   • пластичностью;
   • ударной вязкостью;
   • прочностью на изгиб.

Цианирование часто применяется для обработки металла деталей, эксплуатация которых связана с повышенными нагрузками.

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

Цианирование стали имеет свои достоинства и недостатки. Главный минус такой обработки заключается в крайней тонкости защитного слоя – от 0,7 до 0,8 мм. Использование азотированной и науглероженной атмосферы заставляет уделять повышенное внимание мерам предосторожности – контролю концентрации азота и углерода в воздухе, а также проветриванию рабочих помещений.

Несмотря на однозначную эффективность данной технологии, нет четких критериев для оценки качества цианирования, на которое влияют: слесарная обработки и характер износа. Чаще всего такой обработке подвергают следующие инструменты:

• резьбонарезные и червячные фрезы;
• фасонные резцы, плашки и метчики;
• долбяки.

При заточке таких режущих инструментов обработке подвергается только передняя поверхность, на которой сохраняется цианированная сталь, и дополнительные лезвия сверл и зенкеров. Переточка шлицевых фрез и отрезных резцов приводит к полному удалению насыщенного углеродом и азотом слоя, который затем приходится обновлять.

Часто задаваемые вопросы о цианировании стали

Каковы основные области применения цианированных сталей?

Назначение сталей, прошедших цианирование, обусловлено их высокими усталостной прочностью и пределом выносливости. Данная технология широко применяется при изготовлении:

• сварных строительных металлоконструкций;
• фонарных и оконных переплетов промышленных зданий;
• разнообразных мелких метизов: шайб, собачек, заклепок, звездочек, муфт и других деталей, эксплуатация которых не предполагает охлаждения ниже -40 градусов по Цельсию.

Какая температура является оптимальной для цианирования?

Для качественной обработки стальных заготовок необходим учет ряда факторов, влияющих на конечный результат. Низкотемпературное цианирование выполняется с минимальным нагреванием, а при горячем температура рабочей смеси достигает +850 градусов по Цельсию.

Процесс насыщения поверхностных слоев азотом и углеродом продолжается в среднем около 6 часов, что позволяет довольно скоро наблюдать первые результаты. При низких температурах меньше риск возникновения деформаций металла, однако в ряде случаев такой обработки недостаточно, и требуется горячее цианирование.

С какими рисками связано цианирование стальных деталей?

Процесс обработки сопровождается выделением токсичных соединений. В этой связи особенно важно соблюдение правил техники безопасности и использование средств индивидуальной защиты.

Главная цель применения технологии цианирования стали – улучшение эксплуатационных характеристик готовых изделий. Этот метод обработки поверхности деталей из стальных сплавов экономически эффективен, что обуславливает его широкое распространение в современном промышленном производстве.