Нитроцементация и сульфоцианирование стали: процессы, режимы и свойства

Нитроцементация: комбинированное насыщение углеродом и азотом. Нитроцементация представляет собой широко распространенный процесс химико-термической обработки стальных изделий. Его ключевая особенность заключается в одновременном диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом и азотом из газовой среды. Процесс осуществляется в специальных печах при температурах 850–870 °C, а продолжительность выдержки составляет от 2 до 10 часов. В результате формируется упрочненный слой толщиной от 0,2 до 1 миллиметра, что значительно повышает эксплуатационные характеристики деталей. Данная технология эффективно совмещает в себе принципы газовой цементации и азотирования.

Состав газовой среды и завершающая термообработка. Газовая среда для нитроцементации формируется из комбинации науглероживающего газа, который часто представляет собой эндогаз с добавлением до 13% природного газа, и аммиака, содержание которого может достигать 8%. Для интенсификации процесса в рабочее пространство печи, например, шахтной печи, может вводиться жидкий карбюризатор, такой как триэтаноламин. После завершения насыщения детали подвергаются закалке с последующим низким отпуском при температурах 160–180 °C. Такая завершающая обработка обеспечивает высокую твердость поверхностного слоя, достигающую 60–62 HRC_э, и снимает внутренние напряжения.

Особенности процесса для легированных сталей и карбонитрирование. При обработке легированных сталей с целью получения слоя глубиной более 1 миллиметра возникает риск пересыщения азотом. Это может привести к образованию хрупких структурных дефектов, таких как поры и сетка карбонитридов, которые резко снижают усталостную прочность изделия. Для предотвращения этого негативного явления процесс проводят в атмосфере с минимальным количеством аммиака, не превышающим 3%. В таких условиях насыщение поверхности углеродом происходит значительно интенсивнее, чем азотом. Данная модифицированная технология носит название карбонитрирование.

Преимущества нитроцементации перед альтернативными методами. Нитроцементации подвергают преимущественно углеродистые и малолегированные стали. Ключевыми преимуществами этого процесса по сравнению с традиционной газовой цементацией являются более низкая температура проведения и меньшая продолжительность. Это обеспечивает значительное снижение деформации и коробления обрабатываемых деталей. Кроме того, процесс позволяет гибко регулировать соотношение углерода и азота в насыщаемом слое. Важными экономическими и экологическими факторами являются более низкая стоимость по сравнению с газовой цементацией и цианированием, а также относительная безвредность применяемой газовой смеси.

Сульфоцианирование: тройное насыщение поверхности. Сульфоцианирование является еще одним видом химико-термической обработки, в ходе которого поверхность стальных деталей насыщается одновременно тремя элементами: серой, углеродом и азотом. Процесс проводится в расплавленных солях при относительно низких температурах, обычно в диапазоне 580–590 °C, в течение примерно 3 часов. Состав ванны включает различные компоненты, такие как карбиды, поташ, желтая кровяная соль (K4[Fe(CN)6]) и гипосульфит натрия (Na2S2O3). При термическом разложении этих солей выделяются активные атомы серы, углерода и азота, которые адсорбируются на поверхности и диффундируют вглубь металла.

Структура и свойства сульфоцианированного слоя. В результате сульфоцианирования формируется сложная многослойная структура. Наружный слой состоит из сульфидов железа, включений нитридов и частиц графита, что обуславливает его невысокую твердость. Под ним располагается промежуточный слой, обогащенный карбонитридами, который обладает высокой прочностью. Внутренний слой представляет собой азотистый аустенит, обеспечивающий хорошую пластичность основы. Такая комбинированная структура придает изделиям исключительно высокий коэффициент трения и превосходную износостойкость. Именно поэтому данный процесс применяется главным образом для упрочнения ответственных фрикционных деталей, работающих в условиях интенсивного трения.