Азотисто-углеродная паста для нитроцементации стали при низких и высоких температурах

АЗОТИСТО-УГЛЕРОДНАЯ ПАСТА ДЛЯ НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛИ ПРИ НИЗКИХ И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

О.В. Летова

Аннотация. Предложен пастообразный карбюризатор на основе сажи с добавкой азотсодержащих компонентов - карбамида и железосинеродистого калия, проанализированы реакции, происходящие в азотистоуглеродной среде при различных температурах. Экспериментально показана высокая эффективность пасты в широком диапазоне температур - от 550 до 900°С.

Ключевые слова: пастообразный карбюризатор,

нитроцементация, карбамид, железосинеродистый калий.

На машиностроительных предприятиях в настоящее время широко используются различные процессы химико-термической обработки стальных изделий в газовых средах. Такая обработка отличается высокой производительностью, высоким уровнем механизации и автоматизации и позволяет получать изделия с заданными характеристиками упрочненных слоев. Однако такие процессы разработаны и выгодны только для массового производства, в то время как в мелкосерийном и единичном производстве, в том числе инструментальном и ремонтном, они не могут быть использованы по причине технологической и экономической нецелесообразности.

Основные требования, которые должны предъявляться к насыщенной среде для поверхностного упрочнения деталей инструмента в условиях мелкосерийного производства, отличающегося широкой номенклатурой изделий и небольшой программой работ, следующие. Во-первых, такая среда (карбюризатор) должна обеспечивать эффективное упрочнение изделий из различных сталей в широком диапазоне температур. Во-вторых, карбюризатор должен быть удобным для упрочнения деталей различных размеров и форм с использованием самого простого термического оборудования. Наконец, в-третьих, он не должен содержать в своем составе дорогих и дефицитных компонентов, а также должен быть нетоксичным и удобным в обращении.

Названным требованиям наиболее полно отвечает пастообразный карбюризатор, имеющий в своем составе углерод- и азотсодержащие компоненты. Паста наносится непосредственно на упрочняемые поверхности, что максимально приближает реакции генерирования активных атомов азота и углерода к поверхности стали, где они тут же адсорбируются и диффундируют в глубину изделия. Расход компонентов карбюризатора при таком механизме минимальный, а насыщающая способность высокая. Карбюризатор в виде пасты (обмазки) можно наносить на любые поверхности и процесс можно проводить в контейнерах, что удобно для единичного производства.

Предлагается карбюризатор на основе мелкодисперсной газовой сажи (аморфного углерода) с добавками карбамида (мочевины) и железосинеродистого калия (желтой кровяной соли) в качестве азотсодержащих компонентов.

Мочевина (№Н2)2СО содержит в своем составе около 40% азота и применяется в массовых количествах в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения, она дёшева и нетоксична. При температуре около 200°С мочевина разлагается с выделением аммиака и изоциановой кислоты

Изоциановая кислота при низких температурах не разлагается и не принимает участия в дальнейших реакциях.

Активный азот, в случае использования мочевины, образуется в момент разложения аммиака, которое происходит по реакции

МН3^К+3Н.

Степень диссоциации аммиака зависит от температуры процесса и составляет при низких температурах (до 600°С) 20...40%, поэтому в карбюризаторе остается достаточное количество аммиака для интенсивного насыщения стали азотом при температурах 500. 600°С.

При повышении температуры процесса основным источником активных атомов азота и углерода становится желтая кровяная соль. Она разлагается при температурах выше 560°С с выделением азота и углерода К4Ге

Желтая кровяная соль, хотя и считается цианидом, в твердом состоянии нетоксична, в отличие от цианидов калия и натрия. Считается, что она становится ядовитой после расплавления, когда в расплаве появляется активная группа С№ Однако, в смеси с сажей свободного расплава желтой кровяной соли не образуется и ее токсичного действия не проявляется. Цианистый калий частично окисляется с выделением нейтральных газов, а частично участвует в насыщении стали, при непосредственном контакте с поверхностью.

Желтая кровяная соль проявляет свою активность при средних температурах насыщения (в районе 600°С), когда активность мочевины снижается за счет сильной диссоциации аммиака. Атомы азота, образующиеся при разложении желтой кровяной соли, диффундируют в сталь, растворяясь в а-железе. При этом понижается температура фазовой перекристаллизации азотистого феррита в аустенит (~590°С), в котором становится возможной диффузия углерода и складываются условия для совместного насыщения стали азотом и углеродом, т. е. для нитроцементации.

Дальнейшее повышение температуры процесса (выше 800°С) значительно увеличивает интенсивность диффузии углерода в аустените, что требует его повышенного генерирования в насыщающей среде. Поставщиком углерода при повышенных температурах является сажа, мелкие частички которой имеют чрезвычайно развитую реакционную поверхность [1].

На поверхности частиц сажистого углерода происходит реакция с двуокисью углерода, образовавшейся в процессе окисления продуктов распада желтой кровяной соли, в результате которой образуется активная окись углерода

С

Увеличиваясь в объёме (две молекулы вместо одной) окись углерода легко отрывается от поверхности сажи и циркулирует в пространстве между сажевыми частицами. Попадая на поверхность стали она отдает ей углерод, превращаясь в неактивную двуокись, которая не удерживается поверхностью

2СО+Ге^СГе+СО2|.

Двуокись углерода тут же вступает в реакцию с сажей, находящейся в непосредственной близости от насыщаемой поверхности, и снова превращается в активную окись. Таким образом, газы СО- СО2, циркулирующие между поверхностью стали и частицами сажи осуществляют перенос углерода и цементацию стали. При этом скорость цементации очень высока, поскольку реакция генерирования окиси углерода максимально приближена к насыщаемой поверхности, а реакционная активность сажи чрезвычайно велика.

Таким образом, благодаря тому, что компоненты предлагаемого карбюризатора проявляют свою максимальную активность при различных температурах (от 500 до 900°С), он может быть использован для химикотермической обработки стальных изделий по различным типам, от практически чистого азотирования до нитроцементации и цементации.

Для исследования был приготовлен карбюризатор следующего состава (% масс): мочевина (КИ2)2СО -20%; желтая кровяная соль К4Бе(СК)6 - 20% и сажа газовая ДГ-100 - 60%. Компоненты в сухом виде тщательно перемешивались и разбавлялись поливинилаце-татной эмульсией с добавлением этанола (поверхностно-активного вещества) до консистенции густой пасты. Полученная паста наносилась в виде обмазки (слоем ~1,5мм) на образцы из стали 18ХГТ и высушивалась. Образцы с сухим покрытием упаковывались в герметичный контейнер. При этом образцы в контейнере располагались вплотную друг к другу, без промежутков, как это требуется при использовании древесноугольного карбюризатора, что является существенным преимуществом предлагаемого карбюризатора. За одну загрузку можно обработать значительно больше изделий, чем в традиционном твердом карбюризаторе, кроме того заметно сокращается время, необходимое для прогрева контейнера.

а) б) в)

Рисунок 1 - Микроструктуры диффузионных слоёв на стали 18ХГТ, полученные нитроцементацией в азотисто-углеродной пасте при различных температурах: а) -550°С; б) -650°С; в) -850°С

Нитроцементацию образцов проводили при трёх различных температурах - 550, 650 и 850°С, чтобы определить возможности использования карбюризатора. После нитроцементации образцы выгружали из контейнера, очищали от остатков пасты и промывали в ацетоне. Затем образцы подвергались металлографическому и рентгеноструктурному анализам. Результаты эксперимента представлены на рисунке (рисунок 1) и в таблице (таблица 1).

Результаты микроструктурного анализа показывают, что при всех температурах нитроцементации азотисто-углеродная паста показывает очень высокую активность как по азоту, так и по углероду. Об этом свиде-

тельствует большое количество карбонитридов, образовавшихся на поверхности диффузионных слоев.

Температура нитроцементации решающим образом влияет как на глубину, так и на фазовый состав карбо-нитридных слоев, получаемых при нитроцементации стали в предложенном пастообразном карбюризаторе.

Таблица 1 - Толщина и фазовый состав карбонит-ридных зон в диффузионных слоях стали 18ХГТ, нит-роцементованной при различных температурах в азотисто-углеродной пасте (длительность 2 часа)__________

Температура нитроце- ментации Толщина карбонит-ридной зоны, мм Фазовый состав карбонит-ридной зоны,% Примечание

550 0,12...0,14 а )- а -1 1й$5 Сплошной однородный слой на поверхности

650 0,16...0,18 £ -фаза, Ре2-з(СК)-12 Рез(СК)-88 Тонкий бордюр карбонитрида, изоморфного с цементитом, на самой поверхности и толстый слой £ -фазы под ним

850 0,26.0,35 Без(СК) Отдельные включения кар-бонитридов цементированного типа, распределенные в твердораство-ренной матрице

При низких температурах этот карбюризатор обеспечивает в большей степени насыщения стали азотом, причем этот процесс идет с весьма высокой скоростью (0,06...0,10 мм/ч), сравнимой со скоростью насыщения в цианистых ваннах. При высоких температурах (выше 800°С) наблюдается интенсивное насыщение стали углеродом с образованием большого количества карбонитридов цементитного типа.

Таким образом, можно заключить, что насыщающая пастообразная среда на основе сажи с азотсодержащими добавками (мочевиной и желтой кровяной солью) вполне пригодна и эффективна для поверхностной упрочняющей обработки стальных изделий в широком диапазоне температур. Твердые карбонитриды, образующиеся на поверхности обрабатываемых в этой пасте изделий, будут способствовать повышению их износостойкости и других эксплуатационных свойств [2].

Список использованных источников

1 Есин, О. А. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч.1. /О. А. Есин, П.В. Гельд. - Свердловск: Метал-лургиздат, 1962. - 427с.

2 Прженосил, Б. Нитроцементации /Б. Прженосил. -М.: Машиностроение, 1969. - 212с.

Информациях об авторе

Летова Оксана Владимировна, преподаватель кафедры технологии металлов и ремонта машин ФГОУ ВПО «Курская ГСХА».