Цианирование режущего инструмента в жидкой среде

01.06.2018
а) Составы солей и свойства различных ванн. Цианирование в жидкой среде производят в ваннах с расплавленной солью, нагретой до 530—560° Составы солей для цианирования, применяемые в промышленности, приведены в табл. 53.

Указанную в табл. 53 кровяную соль для составов 6 и 8 можно применять в виде желтой кровяной соли К4Fe(CN)6, красной кровяной соли KaFe(CN)6 или в виде более дешевых натриевых солей Na4Fe(CN)6 и Na3Fe(CN)6, так как все эти соли при расплавлении выделяют группу CN. Однако при составлении ванны надо учитывать, что натриевые соли содержат 48—60% группы CN, а калиевые соли 40—45%.

Едкий калий, входящий в состав 4, 6—8, можно заменять едким натрием в одинаковом весовом проценте.

Хлористый натрий в составах 3, 5 и 7 целесообразно заменять едким калием или едким натрием, так как присутствие в ванне NaCl усложняет химическое о определение содержания в ванне группы CN.

Для высоко- и среднепроцентных цианистых ванн составов 1—4 применяют технически чистые цианистый натрий и цианистый калий, содержащие:

- цианистый натрий 85—95% NaCN;

- цианистый калий 80—94% KCN.

Более экономно применять цианистый натрий, так как он содержит 53% группы CN, в то время как цианистый калий содержит 40% группы CN.

Цианистые соли разлагаются в жидкой ванне по следующим вероятным реакциям:

1. В ванне, содержащей NaCN, — по данным Морриссона и Джилла:

У поверхности ванны за счет окисления кислородом воздуха:
Цианирование режущего инструмента в жидкой среде

в глубине ванны:

2. Аналогичные реакции, по тем же данным, протекают в ванне, содержащей KCN.

3. В ванне, содержащей желтую кровяную соль, последняя, по данным Д.А. Прокошкина, диссоциирует по уравнению:

Образующийся KCN в ,свою очередь окисляется и диссоциирует по указанным выше уравнениям.

Карбид железа FeC2 является неустойчивым соединением и разлагается на составные элементы.

4. В ванне, содержащей Ca(CN)2:

Свойства различных составов цианистых ванн, удобство пользования ими в работе и режим цианирования зависят от температуры плавления солей, скорости их истощения, ядовитости и степени активности, т. е. скорости насыщения поверхностного слоя стали азотом и углеродом.

Температуры плавления различных составов соли и скорость их истощения, т. е. способности терять группу CN вследствие разложения, приведены в табл. 54.

Чем ниже температура плавления смеси, тем удобнее выполнять процесс цианирования. Если температура плавления смеси составляет 540—550°, то соль у поверхности погружаемого в ванну более холодного инструмента начинает застывать, а на зеркале ванны, через которое происходит теплоотдача в окружающую более холодную среду, образуется корка соли. Поэтому инструмент, выдаваемый из ванны, «облепляется» застывшей солью, что усложняет процесс очистки инструмента, повышает расход соли и затрудняет уход за ванной ввиду необходимости частого введения N нее новых порций соли.

Температуры плавления технически чистых цианистых солей составляют:

Температуры плавления солей понижаются добавкой нейтральных составляющих: соды, едкого калия и натрия и хлористого натрия, как это указано в табл. 54.

Скорость истощения ванны зависит от ее состава и, как видно из данных табл. 53 и 54, уменьшается с понижением в ней содержания активных составляющих, так как добавки нейтральных солей предохраняют цианистые соли от быстрого разложения. С этой точки зрения среднепроцентные ванны обладают существенным преимуществом в эксплуатации по сравнению с высокопроцентными.

Цианистые ванны, содержащие кровяную соль (состав 6 и 8), дают значительное количество осадков ввиду выпадения солей железа, а ванны, содержащие цианид кальция (состав 5), дают наряду с осадками также много черной пены, что требует их систематической очистки. Ванны остальных составов плавятся спокойно, что упрощает работу с ними.

Наиболее ядовитыми из числа смесей, указанных в табл. 53, являются составы, 1, 2, 3, 4, 5 и 7, содержащие цианистый натрий и цианистый калий.

Ядовитость ванн, содержащих кровяную соль, с понижением концентрации кровяной соли в смеси уменьшается. Состав 8, содержащий 20—30% кровяной соли, мало ядовит даже после расплавления и требует лишь аккуратного обращения в работе, в частности, своевременного уничтожения отработанной соли.

Скорость насыщения поверхностного слоя азотом и углеродом заметно зависит от концентрации группы CN в составе ванны. Чем выше содержание группы CN, тем быстрее при одинаковой температуре проходит диффузия азота и углерода в поверхностный слой быстрорежущей стали. Продолжительность выдержки в ваннах состава 1 и 2 обычно не превышает 5—20 мин.; дальнейшее увеличение выдержки приводит к образованию толстого слоя белой корочки, повышению хрупкости и снижению стойкости инструмента, что требует весьма тщательного наблюдения за продолжительностью выдержки инструмента в ванне в зависимости ст его формы и размера.

В 1939 г. Д.А. Прокошкин указал на принципиальную и практическую возможность выполнения цианирования в среднепроцентных (составы 3 и 4) и даже в низкопроцентных ваннах состава 7, приведенного в табл. 53. Выполнение процесса в этих ваннах позволяет получить достаточную глубину цианирования, высокую твердость и стойкость инструмента в том случае, когда параллельно с понижением концентрации группы CN увеличивается продолжительность выдержки инструмента в ванне. Поскольку процесс насыщения стали азотом и углеродом протекает в этих ваннах менее активно, то в них легче предохранить инструмент от образования толстой белой корочки.

На фиг. 105 приведена микроструктура поверхностного слоя стали РФ1 после цианирования в высокопроцентной ванне в течение 15 мин.; образовавшаяся белая корочка не является чрезмерно толстой, поэтому полученная структура считается удовлетворительной.

На фиг. 106 приведена микроструктура поверхностного слоя той же стали после цианирования в низкопроцентной ванне в течение 40 мин. Стали получила высокую твердость, лишь немного уступающую твердости слоя, показанного на фиг. 105. Однако длительная выдержка в низкопроцентной ванне не вызвала образования белой корочки.

Воздействие различных составов цианистой ванны на твердость цианированного слоя приведено, по данным Д.А. Прокошина, на фиг. 107 для стали РФ1 и на фиг. 108 — для стали, ЭИ184.

В настоящее время в промышленности более широко применяют три состава ванн:

- состав 2, содержащий в среднем 90% цианистого натрия (высокопроцентная ванна);

- состав 4, содержащий 50—55°/о цианистого натрия, 25—30% соды и 15—20% едкого натрия (среднепроцентная ванна);

- состав 6, содержащий 80—90% кровяной соли (желтой или красной) и 10—20% едкого натрия или едкого калия.

Применение ванн с пониженным содержанием кровяной соли, например, состава 8, представляет большой интерес, так как эта ванна: 1) практически не является ядовитой и 2) требует меньшего расхода цианистой соли, что упрощает и удешевляет процесс цианирования инструмента. Этот способ был выдвинут недавно и не получил еще широкого применения. В 1943 г. он был применен нами на нескольких заводах и дал положительные результаты.

б) Оборудование для цианирования. Для ведения процесса в жидкой среде необходимы:

1) обогреваемый стальной тигель с защитным железным кожухом; тигель может обогреваться в пламенной печи, но целесообразнее применять для этой цели электрическую печь-ванну типа, изготовляемого заводами «Электромашпрома», ВС21, ВЦ22 и ВЦ23 с автоматической регулировкой температур;

2) баки: а) для очистки инструмента перед цианированием, б) для промывки инструмента в горячей воде после цианирования, в) для нейтрализации солей, оседающих на инструменте в процессе цианирования, г) для промывки инструмента в холодной воде после цианирования и д) для уничтожения отработанных солей;

3) сушильный шкаф;

4) зачистной станок с вращающейся металлической щеткой. Помещение для цианирования должно быть изолировано от остальных помещений цеха и оборудовано вытяжной вентиляцией, канализацией для спуска воды после промывки цианированного инструмента, его нейтрализации и т. д., умывальником и шкафами для спецодежды и для хранения приспособлений.

в) Подготовка и работа ванны. Соли, загружаемые в ванну, должны быть сухими; поэтому до загрузки в ванну их засыпают в железную коробку и выдерживают в сушильном шкафу при 120—150° в течение 1—2 час. Большинство цианистых солей содержит кристализационную и гигроскопическую воду, количество которой может быть значительным; так, например, соль К4Fe(CN)B содержит до 17—20% влаги, а соль Na4Fe(CN)6 — до 45—50%. Поэтому составление ванны по результатам взвешивания соли до ее просушки может привести к ошибкам.

Реакции, приведенные ранее, показывают, что концентрация группы CN не характеризует в полной мере химической активности ванны, так как для цианирования стали необходимо образование промежуточного продукта реакции NaCNO (KCNO) и равномерное распределение его по объему ванны. Однако контроль ванны и особенно составление смеси более удобно производить по содержанию CN. В то же время выдержка свежеприготовленной ванны в расплавленном состоянии, называемая старением ванны, способствуя частичному распаду цианистой соли и накоплению NaCNO, улучшает химическую активность и стабильность ее действия.

Для высокопроцентных ванн старение неприменимо. Средне, и низкопроцентные ванны можно приготовлять двумя способами: 1) составлением смесей с содержанием компонентов в соотношениях, указанных в табл. 53, и 2) введением в смесь повышенного процента цианистых солей и старением расплавленной ванны в течение 5—8 час. при 550—560°; если химический анализ покажет, что содержание группы CN остается после старения выше указанного в табл. 54, то в ванну вводят недостающее количество едкого натрия. Применение ванны после старения является предпочтительным.

При первоначальном пуске ванны, работающей на смеси, содержащей цианистый калий или цианистый натрий (составы 2 и 4), соли смешивают и вводят в ванну постепенно порциями в два-три приема таким образом, чтобы после расплавления первой порции заводилась вторая порция и т. д.

При пуске ванны, работающей на смеси кровяной соли и едкого калия или натрия, в ванну сначала вводят едкий калий или натрий, нагревают до расплавления, а затем дают кровяную соль. Во избежание вспенивания и бурления расплавленной соли едкий калий (или натрий) вводят небольшими порциями (по 300—400 г). Если кровяная соль дается в порошкообразном виде, то загрузку ее также следует производить порциями по 600—800 г.

После расплавления всего состава ванну перемешивают железным черпаком. Образующуюся на поверхности ванны черную пену (при работе с ванной, содержащей кровяную соль) удаляют дырчатым черпаком.

Для получения более однородных результатов при цианировании в отношении твердости, состава и толщины цианированного слоя необходимо поддерживать максимально однородную концентрацию группы CN в ванне. Ориентировочные пределы содержания группы CN для различных составов ванны указаны в табл. 54.

При работе на высокопроцентной ванне последнюю для этой цели необходимо один раз в смену очищать от выпадающих на дно осадков и освежать ее добавкой свежей порции соли в количестве, определяемом в соответствии со скоростью истощения ванны, указанной в табл. 54.

Среднепроцентные ванны (составы 3, 4 и 6) надо освежать один раз в сутки.

Концентрацию группы CN проверяют, кроме того, химическим анализом; его надо производить систематически — один раз в течение двух суток.

Пробу для химического анализа отбирают следующим образом: в расплавленную соль погружают железный пруток; после охлаждения с него постукиванием снимают корочку застывшей соли, собирают ее в пробирку с резиновой пробкой и направляют в заводскую лабораторий».

В работающую цианистую ванну добавляют свежую порцию соли также при понижении уровня солей в тигле, или если ванна, работающая на кровяной соли, начинает загустевать; в последнем случае в ванну вводят дополнительную порцию едкого калия (или натрия) в количестве 5—10% от веса соли в ванне.

Надо также учитывать, что ванна, содержащая 80—90% кровяной соли, и ванна, содержащая 50% цианистого натрия, начинает густеть при небольшом понижении температуры ванны или при интенсивной теплоотдаче от зеркала ванны. Поэтому необходимо поддерживать устойчивый тепловой режим ванны, для чего:

а) кожух ванны надо открывать только при загрузке и выгрузке цианируемого инструмента; в остальное время его держат закрытым;

б) количество инструмента, загружаемого одновременно в ванну, должно быть меньше, чем при цианировании в более легкоплавкой высокопроцентной ванне;

в) черпак для очистки ванны надо предварительно подогревать, для того чтобы к нему не приставали соли;

г) тигель ванны должен равномерно обогреваться по всей высоте, что должно учитываться при установке нагревателей.

г) Подготовка инструмента для цианирования. Инструмент должен быть очищен от следов пыли, грязи, окалины и масла, для чего его протирают в опилках или ветошью и промывают (кипятят) в горячей воде. Если инструмент имеет на поверхности много ржавчины, то его подвергают, кроме того, травлению в 5%-ном растворе соляной кислоты в течение 5—10 мин. Обезжиривание инструмента в растворе каустической соды (едкого натрия) при жидком цианировании не является обязательным, так как применяемые в этом процессе ванны имеют щелочной характер.

После промывки и травления инструмент просушивают в сушильном шкафу при 120—150° в течение 10—15 мин. или у борта цианистой ванны под кожухом. Необходимо наблюдать за тщательной промывкой и просушкой инструмента, так как попадание в расплавленную цианистую соль капель влаги может вызвать разбрызгивание жидкой соли, а попадание селитры — даже привести к взрыву.

д) Технологический процесс цианирования в высоко- и среднепроцентной ванне. Температура ванны составляет 550—560° при цианировании инструмента из стали марок РФ1 и ЭИ262 и 540—550° — при цианировании инструмента из стали ЭИ184.

Продолжительность выдержки инструмента в ванне зависит от типа цианируемого инструмента и концентрации ванны. В качестве общего правила продолжительность выдержки надо принимать тем меньше: а) чем тоньше режущая кромка или чем меньше шаг разьбы или номер модуля инструмента, и б) чем выше концентрация цианистых соединений в ванне.

Кривые, приведенные на фиг. 107—108, показывают, что при одинаковой продолжительности выдержки высокопроцентные ванны сообщают большую твердость цианированному слою, чем средне- и низкопроцентные ванны. Ванна, содержащая 90% NaCN, после выдержки в течение 8—15 мин. повышает твердость поверхностного слоя стали РФ1 до 1100—1150 единиц по Виккерсу (фиг. 107). Поскольку при этом возрастают толщина нетравящегося слоя (белой корочки) и хрупкость инструмента, то даже небольшое увеличение выдержки инструмента в такой ванне создает повышенную хрупкость и дает брак.

Продолжительность выдержки основных типов инструмента при цианировании в высокопроцентной ванне указана, по данным Д.А. Прокошкина и В.Я. Дубового, в табл. 55. Продолжительность выдержки, указанную в табл. 55, надо применять для ванн составов 1 и 2.

Выполнение цианирования в среднепроцентных ваннах, в том числе в ванне, содержащей 80—90% кровяной соли, упрощается в том отношении, что небольшие колебания в выдержке инструмента в ванне сравнительно мало отражаются на твердости, глубине и хрупкости цианированного слоя. Продолжительность выдержки инструмента при цианировании в среднепроцентной ванне указана в табл. 56.


Инструмент погружают в ванну в сетке или на клюшке таким образом, чтобы вся подлежащая цианированию поверхность инструмента омывалась солью и находилась примерно на 30—40 мм ниже зеркала ванны.

He следует погружать в ванну одновременно много инструментов, так как температура ванны при этом понижается, а продолжительность выдержки инструмента возрастает за счет времени, необходимого для его нагрева до заданной температуры. Поскольку процесс цианирования протекает и при более низких температурах ванны, то такие дополнительные и трудно учитываемые выдержки не позволяют заранее достаточно точно регулировать общую продолжительность выдержки и не могут предохранить инструмент в полной мере от образования белой корочки, особенно, если цианирование ведется в высокопроцентной ванне.

Поэтому в ванну надо одновременно погружать лишь такое количество инструментов, при котором температуре ванны после загрузки снижается не более чем на 5—10°. В этом случае общую продолжительность выдержки надо считать со времени погружения инструмента в ванну.

После цианирования инструмент охлаждают на воздухе и немедленно промывают в горячей воде, а затем подвергают нейтрализации для удаления остатков цианистой соли.

Нейтрализацию производят погружением инструмента в 10%-ный свежеприготовленный раствор железного купороса на 10—15 мин.

После нейтрализации инструмент промывают вновь в горячей воде (60—100°), просушивают в сушильном шкафу (или протирают тряпкой), а затем прочищают щеткой на зачистном станке для удаления всех следов цианистых солей.

е) Цианирование в низкопроцентной ванне. Выполнение цианирования в ванне состава 8 не требует выделения специального помещения в цехе. Необходимо, однако, обеспечить хранение соли в отдельном закрытом ящике. Ввиду пониженного содержания группы CN в ванне продолжительность выдержки при цианировании увеличивают: она составляет 50—60 мин. для мелкого инструмента и 1—1,5 часа для крупного.

Ввиду длительности этого процесса его целесообразно объединить с отпуском. В этом случае инструмент проходит после закалки не трехкратный, а двукратный отпуск, а затем его передают для шлифовки и заточки. После травления, очистки и промывки инструмент загружают в низкопроцентную цианистую ванну, выдержка в которой заменяет проведение третьего отпуска.

Передача инструмента для цианирования после однократного отпуска нецелесообразна, так как в этом случае процесс низкопроцентного цианирования может вызвать чрезмерное изменение размеров инструмента.

После цианирования инструмент охлаждают на воздухе, промывают в горячей воде, просушивают и очищают щеткой.

Отработанную соль, осадки из ванны, пену и т. п. укладывают в отдельный железный ящик, а затем сжигают в топке, закапывают или нейтрализуют железным купоросом я сливают в канализацию.