Карбонитрация стали в домашних условиях

Карбонитрирование стали

Карбонитрация стали в домашних условиях

Карбонитрирование стали – особый способ химико-термической обработки стальных деталей, который предусматривает улучшение свойств прочности, стойкости к усталости металла и устойчивости к коррозии. Суть такой обработки заключаться в усилении верхних слоев стали путем насыщения ее азотом и углеродом. Процесс насыщения происходит путем диффузного обмена, в процессе окунания металлов в расплав солей.

Технология карбонитрации стали

Карбонитрация может проводиться деталями любых размеров, из любых сплавов стали и чугуна. Причем возможно подвергать обработке только отдельные участки детали, повышение твердости которых необходимо. Для этого процесса применяется состав солей, в основе которых лежат меламин и дицианидиамид.

Соли расплавляются при температуре свыше 550 градусов. Длительность выдержки обрабатываемых деталей может значительно разниться. Для небольших предметов, в основном режущего инструмента, достаточно получаса вдержки. Большие предметы могут обрабатываться более 4 часов.

Расчет времени проводится на основе размеров предмета, требуемых конечных характеристик и необходимый толщины карбонизированного слоя.

Технология не слишком сложная, главное соблюдать требуемый диапазон рабочих температур и учитывать марку стали обрабатываемых деталей.

Стоит отметить, что с помощью такой химико-термической обработки можно полностью заменить процессы закалки, хромирования, цементации и гальванизации.

Она помогает добиться повышенных характеристик прочности стали, устойчивости к коррозии и воздействию высоких нагрузок.

В конце обработки на поверхности стали образуется несколько слоев. Первый слой – карбонидный, защищающий сердцевину. С каждым новым слоем концентрация азота и углерода в составе стали уменьшается.

Традиционная технология выглядит следующим образом:

  • предмету придается конечная форма и требуемые геометрические параметры, после чего он направляется на обработку (если требуется полировка, размеры детали можно немного увеличить);
  • проводится первичная обработка, в которую входит очистка от загрязнений, окисления и обезжиривается поверхность;
  • нагрев и опускание в соленую смесь;
  • после карбонитрации сталь охлаждается (можно применять различные методы, используя воду, масло, или оставляя на воздухе);
  • конечная очистка, промывка и просушка.

Эта технология становиться все более популярной из-за ряда преимуществ, выделяющих ее среди аналогов. К ним можно отнести:

  1. Качество верхнего слоя. Карбонитридная структура значительно превышает характеристики нитридных, так как она более пластичная и не такая хрупкая.
  2. Экологичность. Данный процесс наиболее экологически чистый среди аналогов, так как в процессе производства практически не выделяются испарения.
  3. Равномерность. В расплавленных солях металл равномерно прогревается, из-за чего диффузные процессы более качественные.
  4. Отсутствие деформации. Температуры расплавленных солей недостаточно для того, чтобы на поверхности предмета образовалось напряжение и произошла деформация. Изначальные и конечные геометрические параметры детали не отличаются.
  5. Повышение стойкость. Обработанные предметы становятся более стойкими к нагрузкам, воздействию коррозии и становятся более долговечными. Каждый из этих параметров может превышать первоначальные более чем на 70%.
  6. Пластичность покрытия. Готовое покрытие становится менее хрупким, что особо важно в процессе эксплуатации готовых деталей, особенно режущих кромок. При этом снижается коэффициент трения, что также значительно увеличивает срок эксплуатации.
  7. С помощью карбонитрации сталь даже низких марок, пример, стали 20 марки, которые не отличаются прочностными характеристиками, можно улучшать, приближая их свойства к параметрам дорогих марок стали, которые сложнее обрабатывать. Это позволяет экономить не только на покупке сырья, но и на процессе обработки.
  8. Обработанные детали не требуют дополнительной обработки. После выполнения карбонитрации, деталь или предмет можно полноценно эксплуатировать. В некоторых случаях требуется поверхностная обработка, которая не влияет на физические свойства.

Из-за безопасности и простоты технологии, ее можно выполнять даже в домашних условиях, но проще воспользоваться услугами, которые предоставляют некоторые предприятия и небольшие мастерские. Особенно если требуется разовая обработка, так как нецелесообразно устанавливать специальную печь и искать подходящую солевую смесь.

Подобная обработка широко распространена для следующих предметов:

  • режущий инструмент, в том числе ножи, сверла для электроинструмента, фрезы для станков;
  • формы для прессов, предусматривающих воздействие высокого давления;
  • элементы пары трения и зубчатых передач, в том числе шестерни, валы и колеса;
  • детали и элементы насосных установок.

Номенклатура обрабатываемых предметов постоянно растет, очень часто производители для надежности обрабатывают весь спектр производимых деталей, независимо от того, требуется она или нет. Это обусловлено простотой и относительной дешевизной такой процедуры.

Свойства карбонитрированного слоя

Процесс карбонитрации довольно прост, но для успешного завершения обработки стоит строго придерживаться технологии и не пренебрегать ни одним из пунктов. В конечном итоге готовый результат должен иметь следующие свойства:

  1. Толщина карбонидного слоя должна составлять более 0,01 мм и менее 0,6 мм.
  2. Твердость полученного слоя должна соответствовать показателям диапазона 400-1200 HV.
  3. Должна отсутствовать хрупкость обработанного слоя.
  4. Коэффициент трения материала снижается более чем в полтора раза.
  5. Стойкость стали к износу должна увеличиться в два и боле раз.
  6. Усталостная прочность обработанного материала повышается в полтора раза.
  7. Обработанная деталь не должна терять форму, искривляться и коробиться.
  8. Устойчивость к коррозийным процессам повышается более чем в 2 раза.
Читайте также  Обмеднение металла в домашних условиях

Если обработанный материал не соответствует хотя бы одному из вышеуказанных свойств, это может свидетельствовать о нарушении технологии выполнения и несоответствии готового результата с первоначальными требованиями.

Например, высокий коэффициент трения негативно влияет на износостойкость деталей, сохранность карбонидного слоя, сохранение геометрических параметров во время эксплуатации и срок эксплуатации.

Применяемое оборудование

Оборудование для карбонитрации представлено на рынке различными моделями, которые отличаются мощностью, степенью автоматизации и количеством выполняемых работ. Для промышленных предприятий лучше всего подходят модульные линии обработки, которые состоят из подготовительного, основного, экологического модулей. Некоторые модели дополняются модулями промывки и охлаждения.

  1. Подготовительный модуль – состоит печи, в которую загружается смесь солей и обрабатываемый материал, в зависимости от требований может компоноваться оборудованием для мойки и обезжиривания деталей. На этом этапе детали подготавливаются к обработке, очищаются и подогреваются.
  2. Основной – состоит из оборудования для карбонитрации. Может дополняться оборудованием в зависимости от типа обрабатываемых предметов. В этом модуле может быть установлена печь двух типов: печь-ванна и электронная, предусматривающие нагрев до 1000 градусов. Установка печи и другого оборудования производиться таким образом, чтобы в случае поломки их можно было оперативно заменить.
  3. Модуль охлаждения и промывки — на этом этапе обработанные детали охлаждаются в подходящей среде, и очистки от следов соли.
  4. Экологический – предусматривает избавление от отходов, фильтруя их и собирая в специальных стоках.

На сегодняшний день можно найти качественное оборудование как импортного, так и отечественного производства, причем большинство производителей предоставляют услуги индивидуального планирования. В процессе разработки проекта учитывается необходимая мощность, количество процессов обработки, размеры и особенности производственного цеха и другие пожелания клиента.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/karbonitrirovanie-stali.html

Азотирование стали в домашних условиях

Карбонитрация стали в домашних условиях

Химико-термическая обработка – это комплекс операций по изменению химического состава и микроструктуры поверхности заготовки или изделия с целью получения требуемых характеристик.

Такое изменение является результатом взаимодействия поверхности с окружающей средой определенного состояния, состава, температуры.

Наиболее распространенные виды химической обработки – цементация (науглероживание), азотирование, карбонитрация (одновременное насыщение углеродом и азотом).

Технология цементации стали

Этот процесс подразумевает диффузионное насыщение поверхностного слоя стальных заготовок углеродом.

Обработка осуществляется в карбюризаторе, выделяющем активный углерод, при температурах устойчивости аустенита – 850-950°C, хорошо растворяющего большое количество углерода.

Для завершения процесса после цементации проводят закалку и низкий отпуск. Результаты химико-термической и термической обработок в комплексе:

  • высокая твердость и износостойкость поверхности;
  • повышение предела контактной устойчивости;
  • улучшение показателей предела выносливости при изгибе и кручении.

Внимание! Желаемый эффект достигается на сталях с низким содержанием углерода – до 0,2%. Без цементации такие марки закалить невозможно. Чаще всего цементации подвергают легированные стали.

Эта операция является длительной, поскольку процесс науглероживания протекает очень медленно. Основные типы сред для цементации (карбюризаторов):

  • твердые;
  • газообразные;
  • растворы электролитов;
  • пасты;
  • кипящий слой.

Цементация в твердой среде: возможность проведения в домашних условиях

Науглероживание стали в твердой среде можно провести в домашних условиях, если есть способ обеспечить длительную выдержку при таких высоких температурах.

Для обработки в твердом карбюризаторе понадобятся:

  • углекислый натрий, кальций или барий;
  • березовый или дубовый уголь, содержание которого в смеси составляет 70-90%.

Все компоненты измельчают и просеивают для удаления пыли. Оптимальные фракции – 3-10 мм. Методики смешивания компонентов:

Цементацию на производстве и в домашней мастерской осуществляют в стальных ящиках, заполненных карбюризатором. Для уменьшения времени прогрева и повышения качества поверхностного слоя ящик для ХТО по форме и размерам должен быть максимально приближенным к обрабатываемой детали.

Создать оптимальные условия можно только в герметичной таре, поскольку при этом исключается утечка газов, образующихся во время выдержки. Для обеспечения герметичности зазоры между ящиком и крышкой обмазывают огнеупорной глиной. Оптимальный материал ящиков для науглероживания – жаростойкая легированная сталь.

Однако может использоваться и тара из малоуглеродистых сталей.

Этапы цементации в твердом карбюризаторе

  • Заготовки укладывают в ящик слоями с пересыпкой карбюризатором.
  • Ящики обмазывают огнеупорной глиной и устанавливают в разогретую печь.
  • Тару с содержимым прогревают примерно до 800°C. О качественном прогреве свидетельствует отсутствие темных пятен на подине в местах ее соприкосновения с ящиком.
  • После прогрева температуру в печи поднимают до 950°C и выдерживают в таких условиях заготовку на протяжении определенного времени. При этом происходит проникновение активных атомов углерода в кристаллическую решетку стали.
Читайте также  Литье дроби в домашних условиях своими руками

Азотирование: суть процесса и преимущества, по сравнению с цементацией

Азотирование – сравнительно новая технология улучшения характеристик стальных заготовок. Заключается в нагреве деталей до высоких температур в средах, насыщенных аммиаком. Толщина нитридного слоя составляет 0,3-0,6 мм.

Результаты азотирования:

  • повышается износостойкость, так как поверхность становится тверже;
  • возрастает усталостная прочность изделий;
  • образуется стойкий антикоррозионный барьер.

Преимущества такой ХТО, по сравнению с цементацией

  • Поверхностный слой изделия приобретает высокую твердость без дополнительной термической обработки. Прочность поверхностного слоя примерно в 2 раза выше, чем после науглероживания.
  • Геометрические параметры заготовки после азотирования остаются практически без изменений.
  • Может применяться для изделий после закалки с высоким отпуском и шлифованием в размер.
  • После науглероживания поверхностный слой сохраняет полученную твердость до температур до 225°C, после диффузионного насыщения азотом – до 600°C.

Краткая схема азотирования при температурах 500-600°C в стальных ретортах, устанавливаемых в печь:

  • части стальных элементов, не предназначенные для насыщения азотом, защищают оловом или жидким стеклом, наносимым по технологии электролиза;
  • закладывают в муфель, в который из баллона закачивают аммиак;
  • внутри реторты аммиак разлагается на азот и водород;
  • атомарный азот проникает в поверхность стальной детали с образованием нитридов, для которых характерна очень высокая твердость;
  • после выдержки заготовку в реторте охлаждают вместе с печью, чтобы закрепилась твердость поверхности без окисления.

Таблица результатов азотирования для стали различных марок, в зависимости от целевого назначения ХТО

Марка стали Изготавливаемые детали Цель азотирования Толщина слоя, мм Твердость по ТУ, HV (по Виккерсу)
38Х2МЮА Ручки, валы, кулачки, эксплуатируемые при нормальных температурах Рост износостойкости и усталостной прочности 0,2-0,5 500-900
18Х2Н4ВА Шестерни, вал-шестерни, валы Рост износостойкости и усталостной прочности 0,2-0,3 500-650
25Х2МФ, 20Х1М1Ф1ТР Штоки, клапаны, втулки, крепеж Увеличение износостойкости при Т до 500°C 0,2-0,5 500-800
35ХМА Штоки, клапаны, втулки, крепежные элементы, буксы Увеличение износостойкости при Т до 400-450°C 0,2-0,4 450-600
20Х3МВФ Штоки, клапаны, втулки, крепежные элементы, буксы Увеличение износостойкости при Т до 500-535°C 0,15-0,2 500-800
25Х2М1Ф Штоки, клапаны, втулки, крепежные элементы, буксы Увеличение износостойкости при Т до 535°C 0,2-0,4 500-700
1Х13 Лопатки сопловых аппаратов Улучшение эрозионной устойчивости в среде пара 0,1-0,2 450-700
15Х11МФ15Х12ВМФ Штоки, буксы, лопатки сопловых аппаратов, клапаны, втулки Улучшение эрозионной устойчивости и износостойкости при Т 535-565°C 0,1-0,20,1-0,2 450-800450-700
40Х Крепеж Повышение коррозионной устойчивости 0,15-0,2 400-500
50ХФА60С2 Винтовые пружины Улучшение коррозионной стойкости во влажной и паровой средах 0,1-0,20,1-0,2 550-750400-600

Карбонитрация стали

Популярным видом ХТО стали и чугуна практически любых марок является карбонитрация, или жидкостное азотирование. В этом случае поверхностный слой заготовок насыщается углеродом и азотом в соляных расплавах при температуре 560-580°C.

Соляные составы синтезированы из аммоноуглеродных соединений: меламина, мелона, дициандиамида. Карбонитрация сходна с цианированием. Но цианирование осуществляется с использованием токсичного цианида натрия при температурах до 860°C.

Для карбонитрации применяют неядовитые соединения, осуществляется она при температурах до 570°.

Преимущества технологии карбонитрации стали

  • Одновременное насыщение азотом и углеродом инициирует появление карбонитридных фаз – более пластичных и менее хрупких, по сравнению с чисто нитридными.
  • Карбонитрация – наиболее экономичный процесс, благодаря его небольшой длительности – 0,5-4 часа.
  • Равномерность нагрева и диффузии.
  • Отсутствие термических напряжений, обеспечивающее минимальные деформации и точность геометрических параметров в пределах микронов.
  • Улучшение усталостной прочности изделий до 80%, износостойкости, коррозионной стойкости.
  • Уменьшение коэффициента трения до 5 раз.
  • Отсутствие хрупкости поверхностного слоя, насыщенного карбонитридами.
  • Возможность обработки недорогих низкоуглеродистых сталей, которые не упрочняются традиционным азотированием. В результате карбонитрации они приобретают характеристики, которыми обладают более дорогие и хуже обрабатываемые стали.
  • Этот процесс для рядовых деталей является финишным, не требующим дополнительной механической обработки. Ответственные изделия после карбонитрации подвергают хонингованию – полировке на 1-2 мкм.

Комбинированное насыщение поверхности азотом и углеродом может применяться даже для высоколегированных и устойчивых к коррозии сталей.

На их поверхности присутствует плотная пленка из оксидов хрома и других легирующих добавок, препятствующая процессу чистого азотирования.

Этапы карбонитрации

Дополнительным плюсом этой технологии является возможность частичного погружения детали в солевой расплав, что позволяет упрочнить только отдельные участки.

Последовательность

  • На карбонитрацию поступают детали с окончательными размерами. При необходимости оставляют минимальный припуск на посадочных поверхностях для полировки.
  • Предварительные мероприятия: очистка, обезжиривание.
  • Нагрев в печи и карбонитрация.
  • Охлаждение в воде, масле, на воздухе.
  • Промывка, сушка.
Читайте также  Замена северного моста в домашних условиях

Источник: https://ccm-msk.com/azotirovanie-stali-v-domashnih-usloviyah/

Карбонитрация

Карбонитрация стали в домашних условиях

Компания Термохим предлагает услуги по карбонитрации деталей в Москве — в нашем Инновационном центре упрочнения.

Карбонитрация сталей и чугуна

Сущность метода карбонитрации заключается в том, что детали машин и инструменты, изготовленные из любых марок стали и чугуна, подвергают нагреву в расплаве солей, синтезированных из аммоноуглеродных соединений (меламин, мелон, дициандиамид), при температуре 540-600oС с выдержками 5-40 мин для режущего инструмента и 1-4 часа для деталей машин и штампового инструмента в зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя. Технология используется для повышения износостойкости, усталостной прочности и – в сочетании с оксидированием – для увеличения коррозионной стойкости. Во многих случаях карбонитрация является альтернативой таких процессов, как поверхностная закалка, гальваническое хромирование, цементация и нитроцементация и др.

После карбонитрации на поверхности сталей формируется упрочненный слой, состоящий из нескольких зон. Верхний слой ε– карбонитрид типа Fe3(N,C). Под карбонитридным слоем располагается зона γ’ – фазы типа Fe4(N,C) , под которой находится диффузионная зона (гетерофазный слой). Она состоит из твердого раствора углерода и азота в железе с включениями карбонитридных фаз, твердость которой значительно выше твердости сердцевины. Концентрация азота и углерода при этом существенно снижается.

Технологическая схема процесса оксикарбонитрации

Структура стали 40Х после карбонитрации

Применение карбонитрации для обработки деталей повышает усталостную прочность на 50-80%, резко увеличивает износостойкость по сравнению с цементацией, нитроцементацией, газовым азотированием, обеспечивает минимальные величины деформаций в пределах допуска чертежа. Технология применима для упрочнения деталей из любых марок сталей и чугуна обеспечивает микронную точность (см.

Таблицу характеристик упрочненного слоя и твердости сердцевины после карбонитрации). Среди технологий низкотемпературного упрочнения карбонитрация в расплавах солей является наиболее экономичным процессом, т.к. сокращает длительность насыщения до 0,5-6 ч, вместо 10-60 ч при газовом азотировании. При этом практически отсутствует хрупкость карбонитрированного слоя.

Процесс карбонитрации, как правило, является окончательной операцией.

Свойства карбонитрированного слоя:

  • толщина 0,01-0,6 мм;
  • поверхностная твердость – 400-1200 HV;
  • повышение износостойкости в 2-11 раз;
  • снижение коэффициента трения в 1,5-5 раз;
  • хрупкость слоя – отсутствует;
  • повышение задиростойкости, включая нержавеющие стали;
  • повышение усталостной прочности в 1,5-2 раза;
  • повышение коррозионной стойкости перлитных сталей в 1,5-2 раза;
  • коробление и поводки длинномерных деталей – практически отсутствуют.

Изменение коэффициента трения стали 12Х18Н10Т в зависимости от удельного давления при контактном трении

Коррозионные испытания штоков автомобильных амортизаторов из стали 40Х с различными видами покрытий

Зависимость износа стали 18ХГТ от пути трения со смазкой

Изменение износостойкости по толщине карбонитрированного слоя чугуна ВЧ50

Распределении твердости по толщине карбонитрированного слоя сталей и чугуна (580oС 3 ч

Изменение коэффициента трения по толщине карбонитрированного слоя чугуна ВЧ50

Структура и фазовый состав стали 25Х2М1Ф после оксикарбонитрации

Коэффициент трения различных видов покрытий на стали типа 40Х

Сравнительные характеристики износостойкости цементированной и карбонитрированной стали 18ХГТ

Усталостные испытания чугуна ВЧ5

Технология НОК-PQ

Для придания коррозионных свойств деталям рекомендуется проводить процесс оксидирования в нитритно — щелочном расплаве при температуре 350-400oС или водном растворе при 130-150oС.В результате карбонитрации шероховатость поверхности в среднем ухудшается на 1-1,5 класса, поэтому после оксидирования для восстановления шероховатости поверхности можно использовать различные методы полирования:

  • Притирка доводочной шкуркой зернистостью 360 или мельче;
  • Полирование или тонкое шлифование специальными полировочными кругами в непрерывном процессе подобно бесцентровому шлифованию или шлифованию на токарных автоматах;
  • Скользящее шлифование в вибрационной емкости;
  • Струйная обработка стеклянными шариками диаметром 40-70 мкм.

При проведении процессов шлифования или полирования возможна потеря коррозионных свойств деталей, поэтому рекомендуется повторное оксидирование.Применение операции оксидирования после карбонитрации приводит практически к полному уничтожению цианидов, находящихся на поверхности.

Технологическая схема НОК-PQ — процесса

Технология карбонитрации в сочетании с оксидированием, полированием и повторным оксидированием, получившая название НОК-PQ (в Германии Tenifer – QPQ) придает деталям машин и инструменту несравнимо более высокие эксплуатационные характеристики.

Свойства оксикарбонитридного слоя

Поверхностная шероховатость образцов из стали 45 после карбонитрации (580°С 2 ч) с последующей обработкой по различным вариантам

Она может быть использована взамен гальванического хромирования, например, на деталях гидросистем, запорно- регулирующей арматуры, штампового инструмента и др.

См. Результат теста на коррозионную устойчивость стали С45 (испытательная среда: 3% NaCL;0,1 % H2O2)

См. Примеры применения оксикарбонитрации в арматуростроении, при изготовлении штамповой оснастки и прессформ, в автомобилестроении>>

Стоимость обработки договорная и определяется исходя из сложности, размеров,веса и количества деталей. Для того, чтобы узнать цену  карбонитрации, необходимо отправить запрос (с четрежом детали) по одному из адресов, указанном на странице КОНТАКТЫ.

Источник: http://www.termohim.com/%D1%83%D1%81%D0%BB%D1%83%D0%B3%D0%B8/carb/