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 12ХНЗА 20	З; О Ц; δ= 0,8…1,0 мм; З;О Цнр; δ= 0,4…0,5 мм; З;О Цнр; δ= 0,4…0,5 мм; З;О	61-62 61-63 60-62 60-62	1,65 0,87 0,46 0,37	1,5 0,93 0,4 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
20 25 30 40	40 15-20 20-25 30	40 55-60 45-50 30	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 HV после цианирования инструментов из стали марки Р9
		Na2CО3	NaCl
1 2 3	50-55 25-35 85-90	25-30 45 10-15	15-20 25 -	950-1100 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 %
5 15 30 45 60 120 360	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 — — — — — —	8 12 14 15 18 20-30 6 8 10 12 15 17 10-23 4 5 6 7 8 9 10-12 6 7 8 9 10 11 12-14 7 8 9 11 12 13 14-18 8 9 11 12 13 14 15-20 6–8 8–10 10-12 12-15 5 7	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	8 10 10 11 12 13 14-15 12 13 14 15 16-18 14 15 17 18 19-20 18 19 20 2-2 23-25 22 24 26 30 32-40 10-12 16 20 25-30 6 8 12 15 18-23 10-13 15 18 22 26 26 10 12 14 16 20
*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 30-50	70-50 -	- 70-50	- -		Для высокотемпературного цианирования
90 80	- -	- -	10 20	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 35 - 40 - До 10 10 - 25 До 5 5 - 10 10 - 25 70 60 - 70 90 - - -	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 - 30 – 60 20 – 40 - 5 – 10 - - -	30 - 60 - 20 - 40 5 - 10 5 - 10 5 - 10 5 - 10 - -	35 15 20 15 - - - 15 -	45 20 20 15 - - - - -	40 15 20 20 - - - - 5