Азотирование стали: сущность и виды процесса

Азотирование стали: сущность и виды процесса

Цементация может проводиться в твердых, газообразных и жидких углеродсодержащих средах, которые называются карбюризаторами. Нагрев осуществляют в среде, легко отдающей углерод.

Цементация в твердой среде

Наиболее старым способом является цементация в твердой среде. Детали укладываются в стальной ящик, должны быть полностью покрыты карбюризатором(уголь) и не касаться друг друга и стенок ящика. Ящик герметично закрывается и загружается в печь. При нагреве образуется окись углерода (CO), которая в свою очередь разлагается на углекислый газ (СО₂) и атомарный углерод. Так как детали нагреты до температуры выше критической точки Ас₃, атомарный углерод проникает вовнутрь мягкого железа.

Режимы обработки: 900-950 градусов, 1 час выдержки на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

В последнее время нашла широкое применение цементация газами. Детали загружают в печи в которые вводят цементующие газы (окись углерода и метан). При нагреве газ разлагается, образуя атомарный углерод. Продолжительность процесса газовой цементации меньше, чем цементации твердым карбюризатором, так как нагрев и охлаждение производятся с большими скоростями, чем это можно осуществить в цементационных ящиках. Кроме этого, газовая цементация имеет ряд других преимуществ: возможность точного регулирования процесса цементации путем изменения состава цементующего газа, отсутствие громоздкого оборудования и угольной пыли и возможность производить закалку непосредственно из печи. Процесс газовой цементации более экономичен

Какие материалы подвергаются цементации?

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %) или легированные низкоуглеродистые стали марок: 20Г, 20Х, 20ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР и др. Данной обработке подвергают такие детали машин и аппаратов, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину, такие как: зубчатые колеса, коленчатые валы, кулачки, червяки, поршневых пальцев, отвалов плугов и др.

Свойства металла после обработки.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость (50..58HRC) и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом, с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости.

Азотирование проводится при 500–600 °С в герметично закрытом контейнере из железа, который внедряется в печь. Его разогревают до температуры соответствующей выбранному режиму, и выдерживается необходимое время. В контейнер закладывают детали, которые будут подвержены азотированию.

Туда же под определенным давлением запускается аммиак, который под действием высоких температур диссоциирует на водород и атомарный азот, который в свою очередь проникает в поверхностный слой мягкого металла, образуя нитриды с элементами, входящими в состав стали, алюминием, хромом, молибденом. Они имеют высокую твердость. По окончании процедуры печь плавно охлаждается вместе с потоком аммиака.

Толщина нитридного слоя может варьировать от 0,3 до 0,6 мм. Таким образом, отпадает надобность в последующей термической обработке с целью повышения прочностных характеристик.

Нитриды железа обладают сравнительно невысокой твердостью и незначительно повышают ее в стали. Следовательно, для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, хром и молибден, такие как 38ХМЮА, 18Х2Н4ВА и др.

Азотированию подвергают также детали из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах; матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей для литья под давлением (Х12Ф1, ЗХ2В8Ф и др.); пружины из сталей 50ХФА, 60С2. Для азотирования целесообразно применять стали, содержащие титан.

Если азотирование проводится с целью повышения коррозионностойкости, то этому процессу подвергаются также и углеродистые стали.

Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.

Цех ионно-вакуумного азотирования

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются. Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров. После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Схема установки азотирования в тлеющем разряде

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

• За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
• Возрастает усталостная прочность изделия.
• Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации. Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Как протекает процесс азотирования

Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.

Вакуумная печь для термической обработки с системой газового азотирования

Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:

Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.

Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.

Классификация процессов азотирования

Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:

• твердый раствор Fe₃N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
• твердый раствор Fe₄N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
• раствор азота, формирующийся в α-железе.

Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.

Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

• температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
• давление газа, подаваемого в муфель;
• продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%. При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза. Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и легированные стали, характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%. Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками. Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Твердость сталей после азотирования

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей.

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности. Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности. Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Характеристики некоторых сталей после азотирования

Технологическая схема азотирования

Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.

Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде. Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.

Режимы термообработки перед азотированием

Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.

Защита участков изделия, которые не требуют азотирования

Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.

Выполнение самого азотирования

Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.

Рекомендуемые режимы азотирования стали

Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.

Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры. Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование. При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.

В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь. Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).

Пуансон массой более 230 кг, подвергнутый азотированной обработке

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов. Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N₂ или NH₃, за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.

Сущность технологии и процесс азотирования стали

Азотирование стали – это применяемый в промышленности термо-химический процесс получения укрепленного поверхностного слоя деталей из металла путем насыщения их поверхности атомами азота при диффундировании этих атомов в кристаллическую решетку.

Азотирование стали является одним из многочисленных методов укрепления поверхности металлических изделий. Не следует путать азотирование с цементацией: первое проходит в более щадящих температурных режимах и никаким образом не влияет на линейные размеры заготовки, не допускает деформации поверхности после обработки. При азотировании слой насыщают только азотной составляющей, а структура кристаллической решетки основного металла остается неизменной. До азотации деталь из стали можно закалить, сделать отпуск, отшлифовать до нужных размеров. После азотирования достаточно провести полирование до финишного состояния изделия. Процесс азотирования не требует серьезных материально-технических затрат, поэтому широко используется в промышленных масштабах на различных производственных линиях.

Суть и назначение технологии

Азотирование металла по сути – это термическая обработка изделий в среде, которую постоянно насыщают аммиаком. Для этого предусмотрена специальная герметичная камера-печь. На поверхности стального изделия после проведения обработки наблюдаются такие изменения:

• показатель износостойкости увеличивается за счет повышения прочности верхнего слоя;
• металл становится менее подверженным усталости;
• возрастает устойчивость к деструктивным коррозионным воздействиям, что эффективно проявляется даже при соприкосновении с агрессивной коррозионной средой.

Самое ценное, что происходит при азотировании стали, – приобретенные качества твердости имеют высокие показатели стабильности. Так, можно сказать о сохранении поверхностной твердости изделием, которое после азотирования подвергли нагреву до 600 градусов по Цельсию. Такого результата невозможно достичь при обыкновенной цементации, где наблюдается постепенное снижение твердости при нагреве более 225 градусов по Цельсию.

Если взять начальные характеристики прочности, полученные путем цементации или закалки, и сравнить их с характеристиками прочности после азотации, то последний вариант будет превосходить их в 1.5–2 раза.

Виды азотирования

Существует несколько видов азотирования стали. Они отличаются друг от друга способом выделения азота, температурными режимами, рабочей средой. Но есть у них один общий признак – это то, что азот проникает внутрь стального изделия по закону диффузии. Возникновение разных видов азотирования было вызвано стремлением ускорить процесс либо улучшить результаты применения метода, то есть качество полученного слоя.

Сегодня известны такие виды процесса:

• газовая азотация;
• плазменное азотирование;
• азотирование в цианистых солях.

Газовая азотизация

Следует рассмотреть еще один способ азотации, который получил название газового каталитического азотирования. Суть его состоит в том, что внутри печи создается определенная атмосфера, где аммиак диссоциированный подвергают специальной обработке на элементе каталитическом.

Особенности этого метода:

1. Процесс требует применения сложного оборудования по созданию особых химических условий.
2. Благодаря получению большего количества радикалов ионизированных при подготовке аммиака доля диффузии твердорастворной увеличивается, доля процессов химических реакционных снижается – азот быстрее проникает внутрь структуры металла.

Такой способ азотирования стали более дорогостоящий, но позволяет добиться очень высоких показателей износостойкости у ответственных изделий.

Термохимический процесс

В отличие от газового азотирования стали, где рабочей средой является смесь эндогаза или пропана с аммиаком в пропорции один к одному, при термохимическом процессе участвует только газообразный аммиак. Его подают из баллона внутрь специального герметично закрытого бокса (муфели), куда предварительно укладывают детали, требующие обработки азотированием.

Этот бокс помещают в печь, где поддерживается определенная температура. Горячий воздух воздействует на аммиак таким образом, что он начинает распадаться на азот и другие элементы. Азот постепенно диффундирует внутрь стали: чем дольше процесс, тем глубже проникновение. Термохимический процесс позволяет получить укрепленный слой глубиной 0.6 миллиметров.

Как происходит процесс азотирования

Для того чтобы проводить процессы азотирования стали, необходима специальная муфельная печь с герметически закрывающейся дверцей и возможностью создавать внутри температуру 600–500 градусов по Цельсию. Когда поверхность помещенной в печь заготовки достигнет этой температуры, некоторое время ее поддерживают при таком нагреве.

Затем в камеру начинают подавать аммиак (2NH₃), закачивая его под давлением. При повышенной температуре происходит распад аммиака на такие компоненты, как 2N и 6H. Высвободившиеся атомы азота начинают диффундировать в сталь и образовывать в поверхностном слое так называемые нитриды. Именно эти вещества, обладая высокой степенью твердости, усиливают металл, покрывая последний слой азотом.

Важно закрепить полученный результат, то есть предотвратить возможность окисления полученного слоя стали. Для этого избегают быстрого охлаждения нагретой детали, позволяя остывать ей постепенно вместе с охлаждением камеры муфельной печи.

Слой нитридный (светлая полоса на рисунке), сформировавшийся на металлической поверхности, по толщине может быть в пределах 0.6–0.3 миллиметра. Такие характеристики являются нормой при азотировании и соответствуют всем необходимым прочностным показателям – дальнейшая обработка стали не требуется.

Типы сред при азотировании

Процесс азотирования стали в реальности проводят не по одной, а по нескольким технологиям, отсюда разнообразие видов азотирования. Это связано с тем, что для одних типов металлов более эффективно усваивается азот в одной среде, для других – в другой. Но это не главное. Среда позволяет получить определенное качество поверхности либо изменить скоростной режим выполнения операции по азотированию стали. Наиболее распространенные технологии, которые используются на предприятиях:

• диффузия азота в среде газовой на основе пропана с аммиаком;
• диффузия азота при использовании разряда тлеющего;
• диффузия азотная в среде жидкого характера.

Аммиачно-пропановая среда

Азотирование в газе из смеси пропана с аммиаком сейчас наиболее применимый способ укрепления поверхности стали. Соотношение компонентов смеси берется равнозначным, температуру по шкале Цельсия догоняют до 570 градусов выше нуля, обработку проводят на протяжении трех часов.

Полученный поверхностный слой можно охарактеризовать как высокопрочную твердую поверхность с отличной износостойкостью, и это несмотря на маленькую толщину нитридов. В численных единицах твердость изделия возрастает до показателей 1100–600 HV.

Тлеющий разряд

Другими словами, тлеющий разряд – это среда разряженного состояния при ионно-плазменном азотировании. Очень распространенный метод насыщения азотом поверхности стальных изделий. Особенностью этого метода является то, что, кроме помещения заготовки в печь муфельную, где происходит нагнетание температуры, к этой заготовке подключают электрический контакт с отрицательным потенциалом (то есть получается отрицательный электрод), положительным же электродом выступает сама печь муфельная.

Ионное азотирование создает ионный поток между печью и изделием, который приобретает вид плазмы, и состоит она из элементов NH₃ или N₂. Таким образом, в поверхностный слой начинают диффундировать азотные молекулы, эффективно насыщая его.

Плазменное азотирование проходит в два этапа:

1. Очищение поверхности заготовки путем распыления катода.
2. Непосредственное насыщение стали азотом.

Основное преимущество метода в том, что при ионном плазменном насыщении процесс можно ускорить в несколько раз.

Жидкая среда

Кроме перечисленных двух сред для проведения операций азотирования, существует еще одна среда, подходящая для такого метода. Это жидкая среда, где применяется расплав солей цианистых, компоненты которых под действием принципа диффузии проникают в рабочий поверхностный слой металла.

Условия для протекания процесса определяются высокой температурой до уровня 570 градусов по Цельсию и длительностью проведения обработки, которая может продолжаться до 3 часов (самое меньшее – 30 минут насыщения).

Такой метод имеет высокую эффективность, но гораздо реже применяется по причине опасности для здоровья и высоких материально-технических затрат.

Какие металлы подлежат азотированию

Метод азотирования можно применить для таких сталей, как легированные и углеродистые, но при условии, если содержание в них углерода не будет выходить за показатели в 0.5–0.3%. Также доступно проводить азотирование титана. Очень хороший эффект получается в случае присутствия в структуре стали легирующих элементов, которые способны образовывать термостабильные и твердые нитриды. Можно назвать хром, алюминий, молибден и ряд других элементов.

Рассматривая марки сталей, можно выделить такие из них:

• 38Х2МЮА – изделия из такой стали после обработки необычайно тверды и стойки к изнашиванию поверхности;
• 40ХФА, 40Х – стали легированного типа для изготовления станков после азотирования способны выдерживать большее количество циклических нагрузок и медленнее стареть;
• 38ХНМФА, 30Х3М, 38ХН3МА, 38ХГМ – специализированные стали для конструкций, которые выдерживают нагрузки на скручивание и изгиб, напитанные азотом, приобретают ярко выраженную упругость;
• 30Х3МФ1 – из этой марки металла изготавливают высокоточные по геометрическим размерам изделия.

Свойства и преимущества азотированных поверхностей

• сплавы легированные – твердость в районе 800–600 HV;
• стали углеродистые – твердость в районе 250–200 HV;
• содержащие хром, алюминий, иные металлы сплавы-нитраллои получают твердость в районе 1200 HV.

Кроме повышения твердости, любые марки сталей начинают более стабильно вести себя в коррозионной среде, не подвергаясь разрушению от окисления.

Самое важное, что при насыщении азотом в заданных температурах не происходит деформации и изменения линейных размеров изделий.

Уважаемые посетители сайта, металлурги, технологи и те, кто не понаслышке знает о методе азотирования стали! Поделитесь своими знаниями в комментариях, поддержите тему. Будем признательны за любую достоверную информацию!

Азотирование стали

Улучшение свойств металла может проходить путем изменения его химического состава. Примером можно назвать азотирование стали – относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, которая стала применяться в промышленных масштабах около столетия назад. Рассматриваемая технология была предложена для улучшения некоторых качеств продукции, изготавливаемой из стали. Рассмотрим подробнее то, как проводится насыщение стали азотом.

Назначение азотирования

Многие сравнивают процесс цементирования и азотирования по причине того, что оба предназначены для существенного повышения эксплуатационных качеств детали. Технология внесения азота имеет несколько преимуществ перед цементацией, среди которых отмечают отсутствие необходимости повышения температуры заготовки до значений, при которых проходит пристраивание атомной решетки. Также отмечается тот факт, что технология внесения азота практически не изменяет линейные размеры заготовок, за счет чего ее можно применять после финишной обработки. На многих производственных линиях азотированию подвергают детали, которые прошли закалку и шлифование, практически готовы к выпуску, но нужно улучшить некоторые качества.

Назначение азотирования связано с изменением основных эксплуатационных качеств в процессе нагрева детали в среде, которая характеризуется высокой концентрацией аммиака. За счет подобного воздействия поверхностный слой насыщается азотом, и деталь приобретает следующие эксплуатационные качества:

1. Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
2. Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
3. Во многих производствах применение азотирования связано с необходимостью придания антикоррозионной стойкости, которая сохраняется при контакте с водой, паром или воздухом с повышенной влажностью.

Вышеприведенная информация определяет то, что результаты азотирования более весомы, чем цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии. В большинстве случаев переданные эксплуатационные качества сохраняются даже при нагреве заготовки до температуры 600 градусов Цельсия, в случае цементирования поверхностный слой теряет твердость и прочность после нагрева до 225 градусов Цельсия.

Технология процесса азотирования

Во многом процесс азотирования стали превосходит другие методы, предусматривающие изменение химического состава металла. Технология азотирования деталей из стали обладает следующими особенностями:

1. В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
2. Рассматривая режимы азотирования, следует учитывать температуру и время выдержки. Для разных сталей эти показатели будут существенно отличаться. Также выбор зависит от того, каких эксплуатационных качеств нужно достигнуть.
3. В созданный контейнер из металла проводится подача аммиака из баллона. Высокая температура приводит к тому, что аммиак начинает разлагаться, за счет чего начинают выделяться молекулы азота.
4. Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
5. Процедура химико-термического воздействия в данном случае не предусматривает резкое охлаждение. Как правило, печь для азотирования охлаждается вместе с потоком аммиака и деталью, за счет чего поверхность не окисляется. Поэтому рассматриваемая технология подходит для изменения свойств деталей, которые уже прошли финишную обработку.

Цех ионно-вакуумного азотирования

Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:

1. Подготовительная термическая обработка, которая заключается в закалке и отпуске. За счет перестроения атомной решетки при заданном режиме структура становится более вязкой, повышается прочность. Охлаждение может проходить в воде или масле, иной среде – все зависит от того, насколько качественным должно быть изделие.
2. Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
3. В некоторых случаях есть необходимость в защите определенных частей изделия. Защита проводится путем нанесения жидкого стекла или олова слоем толщиной около 0,015 мм. За счет этого на поверхности образуется защитная пленка.
4. Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
5. Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.

Режимы азотирования стали

Получаемый слой после азотирования, который представлен нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, за счет чего отпадает необходимость в проведении процедуры закаливания. Как ранее было отмечено, азотирование проводят относительно недавно, но сам процесс преобразования поверхностного слоя металла был уже практически полностью изучен, что позволило существенно повысить эффективность применяемой технологии.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

Существуют определенные требования, которые предъявляются к металлам перед проведением рассматриваемой процедуры. Как правило, уделяется внимание концентрации углерода. Виды сталей, подходящих для азотирования, самые различные, главное условие заключается в доле углерода 0,3-0,5%. Лучших результатов достигают при применении легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла назовем насыщение поверхностного слоя сплавов, которые в составе имеют примеси в виде алюминия, хрома и другие. Рассматриваемые сплавы принято называть нитраллоями.

Микроструктура сталей после азотирования

Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:

1. Если на деталь будет оказываться существенное механическое воздействие при эксплуатации, то выбирают марку 38Х2МЮА. В ее состав входит алюминий, который становится причиной снижения деформационной стойкости.
2. В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
3. При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
4. Если при изготовлении нужно получить высокую точность линейный размеров, к примеру, при создании деталей топливных агрегатов, то используется марка стали 30ХЗМФ1. Для того чтобы существенно повысить прочность поверхности и ее твердость, предварительно проводят легирование кремнем.

При выборе наиболее подходящей марки стали главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, которые также оказывают существенное воздействие на эксплуатационные свойства металла.

Основные виды азотирования

Выделяют несколько технологий, по которым проводят азотирование стали. В качестве примера приведем следующий список:

1. Аммиачно-пропановая среда. Газовое азотирование сегодня получило весьма большое распространение. В данном случае смесь представлена сочетанием аммиака и пропана, которые берутся в соотношении 1 к 1. Как показывает практика, газовое азотирование при применении подобной среды требует нагрева до температуры 570 градусов Цельсия и выдержки в течение 3-х часов. Образующийся слой нитридов характеризуется небольшой толщиной, но при этом износостойкость и твердость намного выше, чем при применении классической технологии. Азотирование стальных деталей в данном случае позволяет повысить твердость поверхности металла до 600-1100 HV.
2. Тлеющий разряд – методика, которая также предусматривает применение азотсодержащей среды. Ее особенность заключается в подключении азотируемых деталей к катоду, в качестве положительного заряда выступает муфель. За счет подключение катода есть возможность ускорить процесс в несколько раз.
3. Жидкая среда применяется чуть реже, но также характеризуется высокой эффективностью. Примером можно назвать технологию, которая предусматривает использование расплавленного цианистого слоя. Нагрев проводится до температуры 600 градусов, период выдержки от 30 минут до 3-х часов.

В промышленности наибольшее распространение получила газовая среда за счет возможность обработки сразу большой партии.

Каталитическое газовое азотирование

Данная разновидность химической обработки предусматривает создание особой атмосферы в печке. Диссоциированный аммиак проходит предварительную обработку на специальном каталитическом элементе, что существенно повышает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии заключаются в нижеприведенных моментах:

1. Предварительная подготовка аммиака позволяет увеличить долю твердорастворной диффузии, что снижает долю реакционных химических процессов при переходе активного вещества от окружающей среды в железо.
2. Предусматривает применение специального оборудования, которое обеспечивает наиболее благоприятные условия химической обработки.

Процесс азотирования стали

Применяется данный метод на протяжении нескольких десятилетий, позволяет изменять свойства не только металлов, но и титановых сплавов. Высокие затраты на установку оборудования и подготовку среды определяют применимость технологии к получению ответственных деталей, которые должны обладать точными размерами и повышенной износостойкостью.

Свойства азотированных металлических поверхностей

Довольно важным является вопрос о том, какая достигается твердость азотированного слоя. При рассмотрении твердости учитывается тип обрабатываемой стали:

1. Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
2. Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
3. Нитраллои, которые имеют в составе алюминий, хром и другие металлы, могут получить твердость до 1200HV.

Другие свойства стали также изменяются. К примеру, повышается коррозионная стойкость стали, за счет чего ее можно использовать в агрессивной среде. Сам процесс внесения азота не приводит к появлению дефектов, так как нагрев проводится до температуры, которая не изменяет атомную решетку.

Описание технологии азотирования стали

Локальное повышение твёрдости (точнее, микротвёрдости) поверхностного слоя сталей может быть достигнуто не только структурными перестройками. Упрочнение происходит также и тогда, когда в обычную микроструктуру дополнительно ввести соединения, зёрна которых имеют большие габаритные размеры. Таких процессов несколько. В частности, если поверхностные участки насытить нитридами металлов, происходит азотирование (которое часто именуют нитридированием).

• Суть технологии
• Как проводится азотирование
• Факторы, которые влияют на азотацию
• Типы азотируемых сталей
• Технологическая схема
• Типы рабочих сред

Суть технологии

Азотирование является распространённой разновидностью операций химико-термической обработки многих (но не всех!) марок сталей. Оно представляет собой процесс термообработки, при котором азот проникает в поверхность металла с целью создания поверхности с покрытием повышенной твёрдости. В результате происходит поверхностное упрочнение, после которого при просмотре микросреза поверхности под металлографическим микроскопом отчётливо просматривается тонкий белый слой повышенной микротвёрдости. Белым слой называют потому, что он не протравливается обычными реагентами, позволяющими устанавливать и исследовать микроструктуру стали. В большинстве случаев после белого слоя располагается переходной подслой, имеющий более низкую твёрдость, а после него микроструктура плавно переходит к той, что характерна для основного металла.

Количественным показателем, характеризующим качество и эффективность процесса, является микротвёрдость, которая оценивается при помощи металлографического микроскопа, использующего метод Виккерса. Микротвёрдость по Виккерсу HV представляет собой результат, полученный при внедрении в сталь алмазного индентора. Рабочая часть индентора – четырёхгранная пирамида с углом при вершине 180 0 . Такой же угол образуют касательные, проведенные к оттиску. Усреднённый результат эксперимента получают сравнением длины двух диагоналей. Твёрдость по Виккерсу формально считается микротвёрдостью материала, и измеряется в МПа.

Метод азотирования преимущественно используется для обработки стали, но может эффективно применяться также для упрочнения титана, алюминия и молибдена.

Процесс азотирования заключается в диффузии азота, направление потока которой направлено внутрь поверхностных слоёв стали. Она начинается при относительно низких температурах (500…530 0 С), поэтому последующая закалка изделия не требуется. Процесс азотирования не влияет на свойства основной микроструктуры при условии, что конечная температура отпуска продукта будет выше, чем температура азотирования.

Нитридные поверхности обладают высокой износостойкостью и противозадирными свойствами. Повышается усталостная долговечность и коррозионная стойкость детали. Дополнительным преимуществом азотирования является то, что твёрдость поверхности, из-за наличия стойких нитридов, весьма устойчива к воздействию высоких эксплуатационных температур.

Процесс применяют для химико-термической обработки:

• зубчатых передач;
• коленчатых и распределительные валов;
• толкателей кулачков;
• клапанов;
• винтов экструзионных установок;
• инструментов для литья под давлением;
• рабочих деталей тяжелонагруженной штамповой оснастки;
• инжекторов, предназначенных для формования пластмасс.

Во многих случаях, одновременно с насыщением поверхности азотом осуществляют диффузию карбонитридов, боронитридов и прочих твёрдых соединений металлов/неметаллов с азотом. Такие операции относятся к комбинированным.

Как проводится азотирование

Азотирование стали осуществляется с технической точки зрения довольно просто, поскольку не требует фазы перехода с феррита на аустенит, при этом не требуется также и дальнейшее превращение аустенита в мартенсит. Другими словами, сталь остается в исходной ферритной фазе (или цементитной, в зависимости от состава сплава) на протяжении всей процедуры. Это означает, что молекулярная структура феррита (объёмно-центрированная кубическая, или ОЦК, решётка) не меняет своей конфигурации и не перерастает в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку, характерную для аустенита, как это происходит в более традиционных технологиях, например, при цементации.

Из-за того, что после азотирования проводится только естественное охлаждение материала, отсутствует стадия последующего превращения аустенита в мартенсит. Нет также изменения размера молекул и, что более важно, размерных изменений, за исключением небольшого увеличения габаритных размеров конечного продукта, вызванного диффузией азота. Этот рост учитывается при разработке технологии процесса.

Важной особенностью рассматриваемой технологии является наличие искажений, вызванных поверхностными напряжениями. Они высвобождаются теплом процесса и проявляются в виде скручивания и/или изгиба готовой детали. Поэтому во многих случаях азотированная продукция подлежит последующей правке или рихтовке на гидравлических прессах (скоростная правка на кривошипных машинах такие дефекты не убирает).

Металлургические соображения и требования к процессу заключаются в следующем. Азотирование представляет собой ферритный термохимический метод диффузии азота, образующегося от внешнего источника, поверхность сталей и чугунов. Этот процесс основан на растворимости азота в железе.

Предел растворимости азота в железе зависит от температуры. При 450 °C сплав на основе железа поглощает от 5,7 до 6,1% азота. Помимо этого, образование поверхностной фазы на легированных сталях представлено преимущественно эпсилон (ε) фазой. На это сильно влияет углерод, который содержится в стали; чем больше углерода, тем больше возможностей для формирования ε-фазы. При дальнейшем повышении температуры первичной (γ’) фазы (490°C) предел растворимости начинает уменьшаться. Это происходит при температуре примерно 680 °C.

Факторы, которые влияют на азотацию

Диаграмма равновесия показывает, что для успеха процесса необходим постоянный контроль динамики диффузии азота в сталь. Необходимо соблюдать ряд параметров рабочего процесса, влияющие на качество и стабильность протекания процесса. Важно, однако, что этими параметрами можно управлять с помощью относительно простых инструментов и методов.

Основные технологические параметры газового азотирования:

• температура внутри печи;
• способ управления процессом;
• время;
• интенсивность потока газа;
• состав газа;
• техническое обслуживание технологической камеры.

Все эти факторы помогают уменьшить искажения во время процесса, при этом исключаются (или резко снижаются) нежелательные остаточные напряжения. Еще одно преимущество технологии заключается в том, что она действует как стабилизирующий переход, из-за чего азотирование металла придаёт ему дополнительные полезные качества.

Факторы управления процессом азотирования – это те его элементы, которые обеспечивают приемлемые результаты процесса. Ими являются:

• общая площадь азотируемой поверхности;
• давление процесса внутри герметичной технологической камеры;
• система подачи газа в герметичную технологическую камеру;
• система отвода газов из камеры.
• контроль процедуры подогрева перед азотированием, включая снятие напряжений, предварительную закалку и отпуск;
• качество и целостность стальной поверхности после предварительной очистки и непосредственно перед азотированием.
• постоянство химического состава стали для максимального насыщения её поверхности азотом.

Не все марки сталей, как было указано ранее, поддаются азотированию.

Типы азотируемых сталей

В процессе азотирования используется низкая растворимость азота в ферритной кристаллической структуре, что способствует выделению нитридов железа или нитридов сплавов. При содержании азота в несколько процентов на поверхности образуется в основном когезионный слой нитрида (соединительный слой). Этот слой связан с зоной диффузии, в которой выделенные нитриды равномерно распределены в стальной матрице, что приводит к упрочнению, особенно для легированных сталей. Поскольку азот снижает температуру гамма/альфа-превращения железа до 590°C, температуры азотирования обычно ниже этих значений. Считается, что нижний предел температуры азотирования составляет 350°C, потому что ниже этой температуры диффузия азота происходит с очень малой скоростью.

По мере снижения температуры время азотирования, необходимое для достижения заданной глубины твердости, увеличивается.

Твёрдость по глубине азотирования может достигать 500 мкм при максимальном уровне твёрдости> 1000 HV. Поскольку нагревание и охлаждение происходят медленно, а основная структура не претерпевает никаких преобразований или изменений в объеме, риск деформации невелик.

В отечественной нормативной литературе перечень сталей, пригодных для азотирования, не приводится, однако рекомендации по выбору имеются в ОСТ1.90005-91 и в РД 50-186-80. Подавляющее большинство азотируемых сталей относятся к конструкционным легированным, которые поставляются соответственно требований ГОСТ 4543-2016.

За рубежом азотирование проводят для сталей марок SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800 (США), британских авиационная сталей марок BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющих сталей, а также некоторых инструментальных сталей и чугунов.

В качестве материала выбирают стали, в составе которых имеются нитридообразующие элементы. Пригодны марки, содержащие хром, ванадий,молибден и – особенно – алюминий, который обеспечивает гораздо более высокую твёрдость поверхности. В частности, 1% алюминия интенсивнее увеличивает твёрдость, чем 3% хрома. Этот показатель не зависит от содержания углерода в стали, поскольку алюминий не образует карбидов и, следовательно, полностью доступен для образования нитридов.

Поскольку деформируемость азотированного компонента зависит не только от тонкого твёрдого нитридного слоя, но и от химического состава и структуры основного материала, то для всех азотированных сталей справедливо следующее: чем более однородна и мелкозерниста структура, тем лучше результат азотирования.

Технологическая схема

Азот переносится из окружающей среды в такой последовательности:

1. Адсорбция атомов азота на поверхности детали.
2. Поглощение атомов азота поверхностью.
3. Диффузия атомов азота по границам и внутри зёрен.

Нитриды образуются вокруг поверхностных, т.н. »затравочных» точек. По мере увеличения концентрации азота и времени процесса нитриды растут глубже и расширяются в стороны в зерно, пока не образуется закрытый слой. Наряду с элементами сплава, образующими нитриды, нитриды диспергируются в матрице и субмикроскопическим путём.

Образующийся слой демонстрирует определенную степень пористости. Это происходит из-за рекомбинации с молекулярным азотом в энергетически подходящих местах, таких как границы зёрен. Соединительный слой может быть хрупким, со склонностью к сколам и поэтому удаляется шлифованием.

Прилегающая зона диффузии влияет на прочностные характеристики (сопротивление усталости) и увеличивает сопротивление износу (при качении) и истиранию. Состав нитридных слоев может быть значительно изменён путём корректировки условий азотирования и систематизации выбора материалов.

Типы рабочих сред

Используется три основных процесса азотирования – газовое, в соляной ванне и плазменное.

Аммиачно-пропановая

При газовом азотировании донором является газ, богатый азотом, обычно аммиак (NH₃). Когда аммиак контактирует с изделием, которое располагается в печи, он ралагается на атомарный азот и водород. После этого азот внедряется в поверхностные слои заготовки и образует там слой, обогащённый нитридами. По требуемым характеристикам азотсодержащего слоя уточняются режимы обработки.

Для успешного проведения процесса азотирования необходимо контролировать ряд параметров рабочего процесса. Эти параметры для газового азотирования включают:

• температуру печи;
• время;
• расход газа;
• контроль активности газа.

Все эти факторы помогают уменьшить деформацию конечного продукта.

Тлеющий разряд

Процесс известен также под названием плазменное или ионное азотирование. Здесь реакционная способность среды обусловлена ​​не температурой, а интенсивностью насыщения ионами основного газа. Для образования молекул с повышенным содержанием ионов по азотируемой поверхности выполянется генерирование мощных электрических полей.

Прогрессивность процесса насыщения азотом при помощи заключается в том, что разложения исходного газа не наблюдается, что исключает необходимость ввода дополнительных объёмов азота. Технология отличается также более коротким временем цикла, позволяя тщательнее контролировать микроструктуру. В результате не только улучшаются механические характеристики стальных деталей, но и возрастает их долговечность, поэтому дополнительных операций не требуется.

Жидкая среда

Процесс происходит в соляной ванне. Используется принцип разложения цианида до цианата и высвобождения азота внутри соли для диффузии в стальную поверхность. Солевые расплавы, участвующие в процессе, также содержат азот, который активно диффундирует во поверхность под воздействием высоких температур. Если в солевых расплавах находится углерод, то конечным результатом будет карбонитрирование. Температура солевого расплава должна поддерживаться в диапазоне 550 … 570°C. В итоге интенсифицируется диффузия, что позитивно отражается на производительности процесса ( не более 4…5 часов)..

Способ имеет и ограничения, связанные с токсичностью составляющих – цианидов. Кроме того, изменение химического состава расплава изменяет и параметры сформированного азотсодержащего слоя.

Методика, преимущества и этапы процесса азотирования стали

Азотирование стали — не столь давняя практика диффузного насыщения ее поверхностного слоя азотом. В промышленном масштабе такой способ применяется только с 20-х годов прошлого столетия. Данная процедура, предложенная академиком Н.П. Чижевским, значительно улучшает качество стальной продукции по многим параметрам.

Суть процесса азотирования

По сравнению с цементацией азотирование имеет несколько веских преимуществ, которое сделало его основным способом улучшения показателей стали. Азотированный слой обладает высоким показателем твердости без дополнительной термообработки. Кроме того, после азотирования размер обрабатываемой детали остается практически неизменным. В отличие от цементационного процесса, его можно применить к готовым изделиям, которые прошли термическую закалку с высоким отпуском и отшлифованы до окончательных форм. После азотирования детали полностью готовы к чистовой полировке и другой обработке.

Азотирование – это обработка стали в процессе ее нагрева в среде высокого содержания аммиака. Вследствие этого поверхность стали насыщается азотом и приобретает следующие качества:

• Улучшается износостойкость деталей из металла за счет повышения индекса твердости их поверхностного слоя;
• Растет выносливость или усталостной прочности стальных изделий;
• Обработанный материал приобретает стойкую антикоррозионную защиту, которая сохраняется при контакте с водой, воздухом и паровоздушной средой.

Результаты азотирования намного ценнее в плане дальнейшей эксплуатации, нежели показатели изделия после цементации. Так, слой после цементации может сохранять стабильные показатели твердости при температуре не более 225 °С, а слой с азотом – до 550-600 °С. Причиной тому служит сам механизм азотирования, вследствие которого образуется поверхностный слой, который в 1,5-2 раза прочнее, чем после закалки и той же цементации.

Механизм азотирования

Обычно эта процедуры происходит при 500-600 °С в герметично закрытой реторте (муфели) из железа, которая внедряется в печь. Ее разогревают до температуры соответствующей выбранному режиму, и выдерживается необходимое время. В муфел, который являет собой контейнер, закладывают стальные элементы, которые будут подвержены азотированию.

В реторту из баллона непрерывно под определенным давлением запускается аммиак. Внутри нее аммиак, имеющий в своей молекуле азот, под действием температуры начинает диссоциацию (разложение) по следующей формуле:

2 NH 3 →6 H +2 N ,

откуда полученный в результате этого разложения атомарный азот проникает в металл путем диффузии. Это приводит к образованию нитридов на поверхности железных изделий. А нитриды и их твердые растворы характеризуются повышенной твердостью. По окончании процедуры печь должна плавно охлаждается вместе с потоком аммиака. Такой подход закрепляет эффект по твердости слоя, не давая поверхности окислиться.

Толщина такого нитридного слоя может варьировать от 0,3 до 0,6 мм. Таким образом, отпадает надобность в последующей термической обработке с целью повышения прочностных характеристик.

Схема формирования слоя, обогащенного азотом сложна, но хорошо изучена металлургами. В сплаве, который образуется вследствие диффузии азота в металл, наблюдается возникновение следующих фаз:

• Твердый раствор Fe3N с долей азота 8,0-11,2%;
• Твердый раствор Fe4N с долей азота 5,7-6,1%;
• Раствор N в α-железе.

При доведении процесса до температуры, которая превышает 591 °С можно наблюдать дополнительную α- фазу. Когда она достигает лимита насыщения, это порождает следующую фазу. Эвтектоидный распад производит 2,35 % азота.

Факторы, влияющие на азотирование

Основными моментами, оказывающими ключевое влияние на процесс, являются температурный режим, давление газа и пролонгированность азотирования. Эффективность также зависит от степени диссоциации аммиака, которая может быть в районе 15-45%. Причем существует определенная зависимость: чем выше температура, тем ниже твердость слоя азотирования, но выше скорость диффузии. Показатель твердости вызван коагуляцией нитридов.

Для того чтобы использовать механизм по максимуму и ускорить его, прибегают к двухэтапному режиму. Начальная стадия обогащения азотом проходит при температурах до 525 °С, что обеспечивает верхним слоям стали высокую твердость. Затем азотирование проходит вторую ступень при температурном режиме от 600°С до 620 °С. При этом в очень короткое время глубина азотированного слоя доходит до заданных значений, ускоряя весь процесс почти в 2 раза. Однако, твердость образованного в результате ускорительного этапа слоя ничем не будет отличаться от слоя, который сформирован по стандартной одноступенчатой методике.

Какие стали азотируются

Для азотирования применяются как углеродистые стали, так и легированные, в которых доля углерода 0,3-0,5%. Наилучший результат можно получить при использовании стали с легирующими металлами, которые образуют наиболее термостойкие и твердые нитриды. Так, наиболее результативен процесс азотирования для легированных сталей, которые имеют в своем составе алюминий, молибден, хром и подобные металлы. Стали с таким составом называют нитраллоями. Молибден, в частности, предупреждает отпускную хрупкость, вызванную медленным остыванием стали после процесса насыщения азотом. Характеристики стали после азотирования:

• Твердость углеродистой стали — HV 200-250 ;
• Легированной — HV 600-800;
• Нитраллоев до HV 1200 и даже выше.

Одновременно с тем, как твердость посредством легирующих составных становится выше, толщина азотированного слоя – ниже. Наиболее тонкий слой образуют стали с элементами хрома, вольфрама, никеля, молибдена.

Рекомендованные марки стали

Применение той или иной марки стали зависит от последующей эксплуатации металлического элемента. Рекомендованные марки для азотирования в зависимости от назначения изделий:

• При необходимости получения деталей с высокой поверхностной твердостью – марка стали 38Х2МЮА. Стоит отметить, что в ней содержится алюминий, который приводит к низкой деформационной стойкости изделия. Тогда как применение марок, не содержащих алюминия, значительно снижает твердость поверхности и ее износостойкость, хотя дает возможность создания более сложных конструкций;
• Для станкостроения применяют улучшаемые легированный стали марки 40Х, 40ХФА ;
• Для деталей, подвергающихся циклическим нагрузками на изгиб – марка стали 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА;
• Для топливных агрегатов, детали которых должны быть изготовлены с высокой точностью – марка стали 30Х3МФ1 . Для получения более высокой твердости азотонасыщенного слоя, эту марку стали легируют кремнием.

Технология процесса

Подготовка, насыщение азотом и финишная обработка верхнего слоя стали и сплавов подразумевает несколько ступеней:

1. Подготовительная термообработка металла, которая состоит из закалки и высокого отпуска. Внутренность изделия при этом становиться более вязкая и прочная. Закалка проходит при очень высокой температуре около 940 °С и заканчивается охлаждением в жидкости – масле или воде. Температурные условия отпуска составляют 600-700 °С , что наделяет металл твердостью годной для резки;
2. Механическая обработка заготовок, которая заканчивается шлифовкой. После этой процедуры деталь достигает нужных размеров;
3. Предохранительные меры для тех частей изделий, которые должны попасть под действие насыщения азотом. Для этого применяют простые составы вроде олова или жидкого стекла, наносимые слоем не более 0,015 мм путем электролиза. Происходит образованием тонкой пленки, непроницаемой для азота;
4. Азотирование стали по вышеописанной технологии;
5. Финишное доведение деталей до требуемого состояния.

При этом сложноформенные заготовки с тонкими стенками упрочняют при 520 °С.

По поводу изменения геометрических параметров изделий после процесса азотирования отмечено, что она зависит от толщины полученного азотонасыщенного слоя и примененных температур. Однако, данное изменение в любом случае незначительно.

Нужно отметить, что современные методы обработки металла способом азотирования проводят в печах шахтного строения. Максимальная температура которых может достигать 700 его проведения ˚С, циркуляция аммиака в таких печах принудительная. Муфель может быть встроенным в печь либо сменным.

Процесс будет проходить намного быстрее, если внедрить дополнительный муфель. Тогда запасной муфель с деталями загружается сразу же по готовности первого с обработанными заготовками. Однако, применение такого способа не всегда экономически оправдано, особенно при насыщении азотом крупных изделий.

Варианты сред для механизма азотирования

Аммиачно – пропановая среда

Последнее время весьма активно применяется метод обработки металла газом, состоящим на ½ из аммиака и на ½ пропана, или тех же пропорций аммиака и эндогаза. Такая среда дает возможность проводить процедуру в 3 часа при 570 ˚С. Карбонитридный слой, образуемый при этом, характеризуется небольшой толщиной. Но износостойкость и прочность у него намного выше, нежели у слоя, полученного по обычной методике. Твердость данного слоя находиться в границах 600-1100 HV . Применяется такой подход для изделий из легированных сплавов или стали, к которым выдвинуты особые требования по предельной эксплуатационной выносливости.

Тлеющий разряд

Также используется технология упрочнения в азотсодержащей разряженной среде. При этом применяют метод тлеющего разряда, подключая металлические детали к катоду. Заготовка в этом случае являет собой отрицательно заряженный электрод, а муфель – положительно заряженный.

Такая технология позволяет сократить длительность процесса в несколько раз. Между плюсом и минусом возбуждается разряд, ионы газа (N2 или NH3) вовлекаются на поверхность катода, нагревая его до необходимой температуры. Это происходит поэтапно: вначале катодное распыление, поверхность очищается, а затем насыщают.

Первый этап распыления должен проходить при давлении 0,2 мм ртутного столба и напряжении 1400 В в течение 5-60 минут. При этом поверхность греется до 250 ˚С. Второй этап проводится в условиях давления 1-10 мм ртутного столбика и напряжении 400-1100 В, что занимает время 1-24 часа.

Жидкая среда

Весьма эффективным является тенифер-процесс – азотирование в жидкости, который проходит в расплавленном цианистом слое при 570 ˚С в течение 30-180 минут.

Азотирование — выводы

Азотирование один из наиболее популярных способов доведения металлических деталей до наилучших показателей сопротивления изнашиванию. Кроме того, полученные в результате насыщения азотом поверхностные слои имеют высокую сопротивляемость коррозии. Изделия, прошедшие насыщение азотом, не требуют дополнительной термической закалки. В результате чего, азотирование стало ключевым процессом обработки деталей в машиностроении, станкостроение и в других сферах, выдвигающих высокие требования к составным элементам.

У азотирования существуют и свои недостатки, состоящие в дороговизне и длительности его проведения. Так, при температурах в 500°С азот проникает на 0,01 мм (или менее) за каждый час. Исходя из этого факта, общее время всего процесса порой доходит до 60 часов.