УП_ОАПТОМИ_УММ-2443

11.1.5.3. Цианирование

Цианирование (Цнр) – процесс химико-термической обработки, обусловливающей поверхностное насыщение стали углеродом и азотом одновременно и повышением в этой связи механических свойств и износоустойчивости (табл. 11.35).

Цианирование осуществляется путем нагрева стальных деталей в активных углерод- и азотосодержащих средах максимальной абсорбции и диффузии углерода или азота, выдержки при этой температуре в зависимости от требуемой глубины слоя и последующей закалки или охлаждения на воздухе.

При высоких температурах преобладает насыщение стали углеродом, при низких – азотом.

Таблица 11.35

Износоустойчивость стали, подвергнутой цианированию

Марка

стали

Термическая обработка

Средняя потеря в весе при износе за 50 час, мг

Режим

HRC

Круглые образцы

Призматические образцы

У10

12ХНЗА

З; О

Ц; δ= 0,8…1,0 мм; З;О

Ц_нр; δ= 0,4…0,5 мм; З;О

61-62

61-63

60-62

1,65

0,87

0,46

0,37

1,5

0,93

0,4

Цианирование подразделяют:

– по условиям нагрева на:

– цианирование высокотемпературное – Цнр_в-т;

– цианирование низкотемпературное – Цнр_н-т;

– по условиям воздействия внешних факторов на:

– цианирование жидкостное – Цнр_ж;

– цианирование газовое – Цнр_г;

– цианирование в твердой среде – Цнр_т.

Высокотемпературное жидкостное цианирование (Цнр_в-т,ж_.)ведется в ваннах двух видов – с цианидом калия или натрия (NaCN, KCN) (табл. 11.36, 11.37) и цианидом кальция [Ca(CN)₂].

Ванны, содержащие NaCN (KCN)

Детали, предназначенные для цианирования, перед загрузкой их в ванну должны быть тщательно просушены во избежание выплескиваний расплавленных солей. Температура процесса не должна превышать 850 °С, т.к. это ведет к быстрому истощению ванны.

Таблица 11.36

Состав ванн высокотемпературного цианирования

Состав ванны, %

Температура плавления, °С

NaCN

Na₂CO₃

NaCl

15-20

20-25

55-60

45-50

580-610

Практически применяемые температуры лежат в пределах 750..850 °С в зависимости от марки стали, требуемой глубины цианированного слоя и конфигурации цианируемых деталей.

Глубина цианированного слоя является параболической функцией продолжительности процесса (рис. 11.20). Распределение концентрации углерода и азота по рис. 11.21. Структура слоя состоит: в поверхностных слоях из карбонитридных фаз Fe₂(NC) и Fe₄(NC) типа ε и γ’, в поверхностной зоне из мартенсита и троостомартенсита.

Для введения процесса цианирования стали при проведении его в герметически закрытом тигле без доступа воздуха и других окислителей идет чрезвычайно медленно и дает очень слабый эффект.

Для освежения ванн применяются технический высокопроцентный цианистый натрий, содержащий 85 % NaCN, 2 % NaCNO, 10 % Na₂CO₃ и 1 % NaCl, или среднепроцентный, содержащий 40…50 % NaCN, 25…30 % NaCl, 15-…20 % Na₂CO₃.

Минимальное содержание группы CN в работающей ванне должно поддерживаться на уровне 12…14 % или, в пересчете на цианистый натрий или калий, 22…26 % NaCN или 30…35 % KCN.

Концентрация NaCN (KCN) во время работы уменьшается и, кроме того, уровень соли в тигле снижается благодаря механическим потерям ее на «унос» с цианируемыми деталями и испарению.

Это требует добавления цианистых солей в ванну с расчетом получения в ней оптимального содержания 25 % NaCN или 35 % KCN.

Ванны, содержащие Ca(CN)₂

Активный «цианплав» состоит из 30…35 % Ca(CN)₂, 2…5% CaCN₂, 10…12% NaCN, 30…35 % NaCl, 14…16 % CaO, 4…5 % C.

Рабочая ванна состоит из нейтральной части – 50…56 % CaCl₂ (обезвоженного), 33…36 % NaCl в активной части (цианплав – 7…10 %); через каждые 2,0…2,5 часа при работе ванны в нее необходимо вводить 2…4 % цианплава.

Низкотемпературное жидкостное цианировании (Цнр_н-т,ж)_. применяется с целью повышения режущих свойств инструментов, изготовленных из быстрорежущих и высоколегированных марок сталей (табл. 11.37, 11.38).

Таблица 11.37

Состав ванн для низкотемпературного цианирования инструмента

Тип ванны

Активная

часть

Нейтральная часть

Твердость HVпосле цианирования инструментов из стали марки Р9

Na₂CО₃

NaCl

50-55

25-35

85-90

25-30

10-15

15-20

950-1100

1000-1100

Инструменты подвергаются цианированию после их окончательной термической обработки.

Температура цианирования для инструментов из стали Р9 находится в пределах 550…560 °С.

Таблица 11.38

Глубина цианированного слоя быстрорежущей стали в зависимости от

продолжительности выдержки при низкотемпературном цианировании

Продолжительность

Выдержки, мин

Глубина слоя при содержании

в ваннах NaCN, мм

90 %

50 %

30 %

120

360

0,008

0,020

0,035

0,037

0,045

0,055

0,080

0,006

0,018

0,030

0,035

0,043

0,055

0,075

0,006

0,015

0,030

0,035

0,040

0,052

0,070

Глубина цианированного слоя зависит от содержания в ванне NaCN. Для ванн, содержащих не менее 50 % NaCN или 60 % KCN, рекомендуемая продолжительность процесса для различных видов инструментов приведена в таблице 11.39.

Низкотемпературное цианирование инструментов из быстрорежущей стали впервые было разработано проф. Д.А. Прошкиным и доц. В.Я. Дубовым.

Таблица 11.39

Продолжительность жидкостного цианирования инструментов

на глубину 0,02…0,03 мм

Инструмент

Диаметр, мм

Продолжительность

выдержки для стали марок P18 и Р9, мни.

Инструмент

Диаметр, мм

Продолжительность

выдержки для стали марок P18 и Р9, мни.

Протяжки

Сверла, развертки и зенкеры

Метчики с шагом резьбы до 1 мм

Метчики с шагом резьбы 1,0-1,5 мм

Метчики с шагом резьбы 1,75-2 мм

Метчики с шагом резьбы больше 2 мм

Гребенки резьбовые с шагом резьбы до1 мм

То же с шагом резьбы 1-1,5 мм

То же с шагом резьбы 1,5-2 мм

То же с шагом резьбы больше 2 мм

Плашки плоские с шагом резьбы до 1 мм

То же с шагом резьбы 1-1,5 мм

5-10

10-15

15-20

20-30

30-40

> 40

3-5

5-10

10-15

15-20

20-30

30-40

> 40

4-5

6-10

10-15

15-20

20-30

30-40

> 40

4-6

6-10

10-15

15-20

20-30

30-40

> 40

4-6

6-10

10-15

15-20

20-30

30-40

> 40

4-6

6-10

10-15

15-20

20-30

30-40

> 40

—

20-30

10-23

10-12

12-14

14-18

15-20

6–8

8–10

10-12

12-15

То же с шагом резьбы 1,5-2 мм

То же с шагом резьбы больше 2 мм

Резьбонарезные фрезы с нешлифованным зубом и шагом резьбы до 1мм^**

Резьбонарезные фрезы с нешлифованным зубом и шагом резьбы 1-1,5 мм

То же с шагом резьбы

больше 2 мм

Червячные и шлицевые фрезы с нешлифованным зубом и модулем до 1,0^**

То же с модулем выше 1,0

Фрезы цилиндрические фасонные и торцевые со шлифованным зубом

Дисковые фрезы

Резцы для шестерен

с модулем 0,5-3,0

Фасонные тангенциальные резцы

Токарные и строгальные резцы

40-50

50-70

70-90

90-100

> 100

40-50

50-70

70-90

90-100

> 100

40-50

50-70

70-90

90-100

> 100

50-60

60-80

80-100

100-120

> 120

50-60

60-80

80-100

100-120

> 120

до 40

10-60

60-80

> 80

Толщина

1-2

2-5

5-10

10-15

> 15

Сечение

в мм

2530

3045

140

4050

4060

610и812

1016

1624

2030

3045

14-15

16-18

19-20

2-2

23-25

32-40

10-12

25-30

18-23

10-13

^*Продолжительность выдержки в этой таблице дана исходя из работы ванн, содержащих не менее 50 %NaCN или 60 % KCN, при температурах 550 – 560 °С для режущего инструмента из стали Р9.

^**Для инструментов (фрез) с шлифованным зубом продолжительность выдержки на 22…30 % меньше.

Таблица составлена по уточненным данным Д.А. Прокошкина и В. Я. Дубового.

Помимо выше указанных ванн для высоко- и низкотемпературного цианирования применяются также ванны на основе K₄Fe(CN)₆ (табл. 11.40).

Таблица 11.40

Состав ванн жидкостного цианирования на основе K₄Fe(CN)₆

Состав ванны, %

Темпера

плавления, °С

Примечания

K₄Fe(CN)₆·3H₂0

NaCl

ВаС1₂

КОН

30-50

70-50

Для высокотемпературного цианирования

500

490

Для низкотемпературного цианирования

Цианирование газовое (Цнр_г) является наиболее совершенным процессом одновременного насыщения стали углеродом и азотом (табл. 11.41).

а) Высокотемпературное газовое цианирование применяется для изделий из конструкционной стали с целью повышения их поверхностной твердости, износоустойчивости и предела выносливости.

В качестве цианизирующей среды для высокотемпературного газового цианирования деталей машин и инструментов (которое ведется при температурах 700…750 °С или 800…880 °С) применяется смесь, состоящая из 70…80 % науглероживающего газа и 20…30 % аммиака.

Науглероживающим газом может служить газ, полученный пиролизом керосина или мазута, а также светильный газ.

Газовое цианирование применяется для деталей, изготовляемых из среднеуглеродистой легированной стали типа 40Х, 35Г и т.п. При этом чем ниже содержание углерода в стали, тем более глубоким должен быть цианированный слой. Требуемая глубина цианируемого слоя зависит также от степени нагруженности деталей при эксплуатации и от сечения детали.

Таблица 11.41

Состав смеси для газового цианирования

Название науглероживающего газа	Количество газа в смеси, %
	Науглероживающий газ	Аммиак

Газ пиролиза керосина – ПГН Генераторный газ (каменноугольный) Светильный газ Природный Природный Крекинг-газ углеводородов КГУ Природный газ Продукты частичного сжигания ПС-06 КГУ Природный газ КГУ Пиробензол^*	65-75 85-90 70-75 60-70 25 50 35 40 75 35 60 50-60 капель в минуту	25-35 10-15 25-30 30-40 25 25 25 25 25 25 5 0,5-1,0 л\мин
^*Состав газа в рабочем объеме печи при 900 °С: 10…15 % СN₄; 50…60 % H₂; 5…8% СО; ~1,0 % СО₂

После цианирования с этого же нагрева производится закалка деталей, после чего микроструктура поверхностного слоя состоит из нитроаустенита или нитромартенсита в поверхностной зоне и мартенситовой или троостомартенситовой зоны, расположенной под первой зоной.

б) Низкотемпературное газовое цианирование применяется для повышения режущих свойств и стойкости инструментов, изготовленных из быстрорежущей стали (фрезы, резцы, плашки, гребенки, зенкеры, зенковки, развертки, сверла, протяжки, метчики). Перед цианированием инструменты проходят полную термическую и механическую обработку. Глубина цианированного слоя получается равной 0,02…0,4 мм (рис. 11.22);

поверхностная твердость цианированных инструментов находится в пределах 980…1150 HV (60…70 HRC). Перед цианированием инструменты должны быть тщательно очищены от окалины, соли и масла.

Температура цианирования инструмента должна совпадать с температурой их отпуска или быть ниже ее на 5…10 °С; так, для стали Р9 температура цианирования равна 550…560 °С.

Продолжительность процесса цианирования в зависимости от диаметра или толщины цианируемых инструментов колеблется в пределах 45 минут до 2 с половиной часов.

Продолжительность газового цианирования инструментов в среде, содержащей 25…30 % аммиака и 65…75 % пиролизного газа (по Ю.А, Геллеру и В.С. Бабаеву) (продолжительность указана после нагрева инструмента) (табл. 11.42).

Цианирование в твердой среде (Цнр_т.) применяется для режущих инструментов, прошедших окончательную термическую и механическую обработку.

Цианизатор состоит из смеси (по весу) 60…70 % просушенного древесного угля (с величиной зерна 1…5 мм); 10 30 % просушенной порошкообразной Na₂CO₃ в 20…40 % K₄Fe(CN)₆ или K₃Fe(CN)₆ в порошке (калиевые слои могут быть заменены натриевыми), предварительно просушенной при 100…200 °С.

Инструмент упаковывается в ящики с засыпкой цианизатором: на дно ящика насыпают слой цианизатора 20…30 мм; расстояние между инструментами и стенками ящика равно 20…30 мм; расстояние между инструментами 15…20 мм.

Цианирование инструмента ведется при температурах на 10…15 °С ниже температуры отпуска, то есть для инструментов из стали Р9 – при температуре 550…560 °С; продолжительность выдержки при процессе цианирования приведена в табл. 11.43.

После выдержки при температуре процесса охлаждения инструментов до температуры 100…200 °С производится в ящиках вне печи.

Твердость цианируемых инструментов 1000…1100 HV для стали Р9.

Для конструкционной стали паста вышеуказанного состава разводится 15 %-ным раствором технической патоки или канцелярского клея до состояния краски.

Пасту наносят на деталь слоем в 3…4 мм (для глубины цианируемого слоя в 1,0…1,5 мм). Детали загружаются в пустые цементационные ящики с песочным затвором. Процесс ведется при 920…930 °С с требуемой продолжительностью выдержки (например для пасты Сталит-2 (табл. 11.44) продолжительность 1,5…2,0 часа при δ = 1,3 мм).

Для инструментальной и быстрорежущей стали при цианировании применяется паста состава (В.А. Иванов): 50 % порошка древесного угля, 25 % Na₂CO₃ и 25 % K₄Fe(CN)₆, разведенная в 15 %-ном водном растворе патоки. Паста наносится на инструмент слоем толщиной в 6…8 мм. После просушки пасты инструмент упаковывается в железный ящик с засыпкой чугунной стружкой. Продолжительность цианирования инструментов из углеродистой и легированной стали 2 час при температуре отпуска. Инструмент из углеродистой и легированной стали нагревается до 780…820 °С в продолжение 2…3 час., закаливается, а затем подвергается низкому отпуску.

Таблица 11.42

Инструмент

Диаметр или толщина, мм

Выдержка, мин

Фрезы резьбовые: а) с шлифованным зубом (шаг 1-1,5 мм)

б) с нешлифованным зубом (шаг до 1мм)

в) с нешлифованным зубом (шаг1 -1 ,5 мм)

Фрезы торцевые, цилиндрические и червячные: а) шлифованные

б) нешлифованные

Фрезы дисковые и шлифованные

Зенкеры и развертки

Метчики: а) с шагом до 1 мм

б) с шагом 1-1,5 мм

Резцы тангенциальные

Сверла

25 - 35

35 - 50

50 - 75

75 - 100

25 - 35

35 - 50

50 - 75

75 - 100

25 - 35

35 - 50

>50

до 50

50 - 75

>75

До 50

50 - 75

>75

4 - 6

6 - 10

>10

10 - 15

15 - 20

20 - 30

>30

10 - 15

15 - 20

20 - 30

>30

10 - 15

15 - 20

20 - 30

>30

1010

2525

10 - 15

15 - 20

20 - 30

30 - 40

>40

50 - 60

60 - 75

75 - 90

90 - 100

60 - 75

75 - 90

90 - 100

100 - 120

75 - 90

90 - 100

100 – 120

90 - 100

100 - 120

120 - 150

100 - 120

120 - 150

150 - 160

50 - 60

75 - 90

90 - 120

60 - 75

75 - 90

90 - 120

120 - 150

20 - 40

40-60

60 - 75

75 - 90

40 - 50

50 - 75

75 - 90

90 - 120

90 - 100

120 - 150

50 - 60

60 - 75

75 - 100

100 - 120

120 - 150

Таблица 11.43

Продолжительность цианирования инструментов в твердом

цианизаторе на глубину слоя 0,02…0,03 мм

Инструмент

Диаметр, мм

Продолжительность выдержки, час

Резьбовые фрезы, шаг 2 мм

Резьбовые фрезы, шаг 2,5-3,5 мм

Червячные фрезы, шаг резьбы 4,25мм

Метчики, шаг резьбы < 2мм

Метчики, шаг резьбы > 2мм

Сверла

Перовые черновые сверла

Перовые комбинированные чистовые сверла

Долбяки

Резцы наварные обдирочные

Резцы прорезные

Резцы дисковые резьбовые

35 - 40

До 10

10 - 25

До 5

5 - 10

10 - 25

60 - 70

1,5 - 2,0

2,5 - 3,0

3,0

1,5 - 2,0

2,0 - 3,0

0,5 - 1,0

1,0 - 2,0

2,0 - 3,0

1,5 - 2,0

2,5 - 3,0

1,5 - 2,0

1,0 - 1,5

1,5 - 2,5

2,0 - 3,0

Таблица 11.44

Состав паст для цианирования конструкционной стали

Наименование

составляющих паст

Содержание, % (весовых)

Сталит 1

Сталит 2

Паста 3

Паста 4

Паста 5

Сажа (голландская) или кокс (торфяной малосернистый)

BaCO₃

Na₂CO₃ и K₂CO₃

K₄Fe(СN)₄

Щавеликослый натрий и калий

Плав ГИПХ

Муравьинокислый никель или щавелевокислый кобальт

Феррохром

Песок

30 – 60

20 – 40

5 – 10

30 - 60

20 - 40

5 - 10

Содержание