Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

Процесс азотирования стали

Суть процесса азотирования в том, что поверхностный слой стального предмета насыщают азотом, нагревая изделие в насыщенной аммиаком среде.

Азотирование стали, или азотацию, начали применять в промышленности не так давно. Подобный способ обработки наружной поверхности стальных изделий предложил академик Чижевский. В результате стальной сплав значительно улучшается:

• повышается твердость и стойкость к износу;
• увеличивается долговечность и выносливость металла;
• усиливается устойчивость к коррозии.

Антикоррозийные качества сохраняются во влажной среде и при воздействии паром.

Схема процесса азотирования стали

Это интересно: Развальцовка труб: тонкости технологии и основные инструменты

дальнейшее чтение

• Чаттерджи-Фишер, Рут (1995). Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen: Nitrieren und Nitrocarburieren
  [
  Термическая обработка черных металлов: азотирование и нитроцементация.
  ] (на немецком языке) (2-е изд.). Эксперт-Верлаг. ISBN 3-8169-1092-0 .
• Chattopadhyay, Ramnarayan (2004). «Плазменное азотирование». Усовершенствованные процессы поверхностной инженерии с термической поддержкой
  . Берлин: Springer. стр.–94. ISBN 1-4020-7696-7 .
• Пай, Дэвид (2003). Практическое азотирование и ферритное азотирование
  . ASM International. ISBN 978-0871707918 .

[1]

Марки стали для азотирования

• 38Х2МЮА, содержащую алюминий, который снижает стойкость заготовки к деформации и одновременно способствует повышению показателей твердости и устойчивости к износу после обработки;
• 40Х и 40ХФА, представляющие собой сплавы низкого легирования, которые после обработки поверхности нитридами широко используются для производства станков и оборудования с нестандартными характеристиками;
• 30Х3М, 38ХГМ и 38ХНМФА, которые используются при изготовлении деталей, функционирующих в условиях регулярных нагрузок на изгиб;
• 30Х3МФ1, предназначенную для производства заготовок с повышенными требованиями к точности параметров (допускается обогащение сплава кремнием в целях создания конструктивных элементов топливной аппаратуры).

Цементация против PulsPlasma — азотирования

Из перечисленных данных становится ясно, что PulsPlasma® — азотирование является альтернативой классическим способам химико-термического упрочнения поверхности как цементация, азотирование и карбонитрирование в расплаве солей или газовое азотирование.

Еще одним, пока неосвещенным, является экономический аспект. На практическом примере показано, что целесообразно пересмотреть процесс изготовления деталей таким образом, чтобы отказаться от энерго — и экономически затратной цементации в пользу PulsPlasma® — азотирования.

Необходимо принять во внимание, что такие свойства поверхностного слоя как поверхностная твердость, износостойкость, предел выносливости после азотирования аналогично высокие, а частично даже существенно лучше, чем после цементации.

Что касается малых значений глубины азотированного слоя по сравнению с цементованным, то необходимо отметить, что по причине температурных деформаций и изменения размеров после цементации необходима дополнительная механическая обработка деталей. Это приводить к уменьшению толщины цементованного слоя. Прочностные требования, которые обеспечат высокие эксплуатационные характеристики деталей, можно реализовать с помощью азотирования благодаря правильному подбору подходящего материала.

В таблице в качестве примера приведен вариант использования вместо цементованного зубчатого колеса печатной машины из стали 15 CrNi 6 E детали после PulsPlasma® — азотирования. Сталь для азотирования сначала была определена расчетным методом и подтверждена тестированием.

Таблица 3 Расчет на прочность зубчатых колес из разного материала после цементации и PulsPlasma — азотирования

В результате использования азотирования вместо цементации помимо увеличения ресурса работы зубчатого колеса был достигнут экономический эффект до 30 % при изготовлении детали.

Диаграмма 1 Сравнение стоимости изготовления детали методом цементации и PulsPlasma® — азотирования

Особенности технологии

Чтобы насытить стальную поверхность азотом, используется муфель, изготовленный из железа. В нём размещается заготовка. Печь, в которой расположен муфель, разогревается до 600 градусов. В процессе нагревания муфель заполняется аммиаком и другими газами. При попадании в камеру аммиак разлагается. При этом выделяется азот, который насыщает поверхностные слои материала.

Какие факторы влияют на азотирование

Характеристики изделия зависят от условий, в которых проводится процесс насыщения азотом стальных заготовок. На азотирование влияют некоторые факторы:

• температурный режим, поддерживаемый при проведении обработки;
• уровень давления, при котором муфель наполняется газом;
• длительность проведения процедуры.

Чтобы ускорить процесс насыщения стальной поверхности азотом, применяется двухэтапная технология. На первой этапе заготовка нагревается до 525 градусов. Во время второго этапа детали разогревается до 600 градусов.

Варианты сред для обработки

Чтобы провести азотирование, применяются разнообразные газовые среды. Самой популярной считается смесь из 50% пропана и 50% аммиака. Металлическая поверхность нагревается до 570 градусов. Длительность процесса — около 3-х часов.

Иногда азотирование проводится в жидких средах. Сплав из цианистых солей нагревается до 570 градусов. В него на 3 часа опускается заготовка.

Разновидности азотирования и используемое оборудование

Чтобы провести процедуру азотирования можно использовать несколько видов оборудования, выбор которого зависит от выбранной технологии процесса насыщения стали азотом.

Газовое

Насыщение стали азотом проводится при температурном диапазоне 400–1200 градусов Цельсия. При этом применяется диссоциированный аммиак. Характеристики можно изменять при помощи повышения или понижения температуры нагрева.

Чтобы выполнить обработку заготовки газовым методом, используются камерные и шахтные печи. Опытные металлурги рекомендуют использовать шахтные ретортные печи. Связано это с особенностями оборудования и возможностью равномерно распределять температуру по всей поверхности заготовки.

Каталитическое газовое

Этот способ обработки считается более модифицированным. Рабочим газовым составом является диссоциированный аммиак. Диапазон температур во время проведения азотирования выбирается в пределах 200–400 градусов Цельсия. Преимущество этого метода в том, что используются меньшие температурные режимы, чем при обычном газовом азотировании.

Оборудование для разогрева представляет собой комплекс элементов:

• панель управления и настройки печи;
• водное охлаждение;
• камера, в которой после включения образуется вакуум;
• механизмы, откачивающие воздух для создания вакуума;
• система, с помощью которой рабочая камера заполняется газом.

Чтобы изменить параметры слоев стали насыщенных азотом, применяется несколько способов. К ним относится насыщаемость азотом, добавка к рабочей среде метана, аргона, водорода.

Азотирование с применением растворов электролита

Анодный электролитный нагрев считается одним из скоростных способов обработки стальных поверхностей. Этот метод подразумевает под собой направление на заготовку импульсных зарядов электричества, которые проходят через всю деталь. При этом она должна находиться в ёмкости, заполненной электролитическим раствором.

Оборудование для азотирования [ править | править код ]

Для проведения газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

Для проведения каталитического газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи, оснащённые встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки ионами и, собственно, насыщение.

Для азотирования из растворов электролитов применяются установки для электрохимико-термической обработки.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) – метод химико-термической обработки изделий из стали и чугуна с большими технологическими возможностями, позволяющий получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности. плазменный азотирование микротвердость легированный

Температурный диапазон ионного азотирования шире, чем газового и находится в пределах 400-600 0 С. Обработка при температурах ниже 500 0 С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, т.к. значительно повышаются их эксплуатационные свойства при сохранении твердости сердцевины на уровне 55-60 HRC.

Читать также: Как сделать поверку нивелира в полевых условиях

Упрочняющей обработке методом ИПА подвергаются детали и инструменты практически всех отраслей промышленности (рис.1).

Рис. 1. Применение ионно-плазменного азотирования для упрочнения различных изделий

В результате ИПА можно улучшить следующие характеристики изделий: износостойкость, усталостную выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость и коррозионную стойкость.

В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПА имеет следующие основные преимущества:

• · более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;
• · отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности;
• · повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;
• · более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений;
• · возможность обработки глухих и сквозных отверстий;
• · сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650 С;
• · возможность получения слоев заданного состава;
• · возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
• · отсутствие загрязнения окружающей среды;
• · повышение культуры производства;
• · снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

• · сокращение продолжительности обработки в 2-5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;
• · снижение хрупкости упрочненного слоя;
• · сокращение расхода рабочих газов в 20-100 раз;
• · сокращение расхода электроэнергии 1,5-3 раза;
• · исключение операции депассивации;
• · снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;
• · простота и надежность экранной защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей;
• · улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
• · полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет:

• · исключить деформации;
• · увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Применение ИПА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред.

Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (р =200-1000 Па) азотсодержащей газовой среде между катодом – деталями – и анодом – стенками вакуумной камеры – возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси.

Температура процесса, площадь садки, участвующей в теплообмене и эффективность теплообмена со стенкой (количество экранов) определяют мощность, необходимую для поддержания разряда и обеспечивающую нужную температуру изделий. Выбор температуры зависит от степени легированности азотируемой стали нитридообразующими элементами: чем выше степень легированности, тем выше температура.

Температура обработки должна быть как минимум на 10-20 0 С ниже температуры отпуска.

Длительность и температура процесса насыщения определяют глубину слоя, распределение твердости по глубине и толщину нитридной зоны.

Состав насыщающей среды зависит от степени легирования обрабатываемой стали и требований к твердости и глубине азотированного слоя.

Давление процесса должно быть таким, чтобы обеспечивалось плотное «облегание» разрядом поверхности изделий и получение равномерного азотированного слоя. Однако, при этом следует иметь в виду, что разряд на всех стадиях процесса должен быть аномальным, т. е. поверхность всех деталей в садке полностью должна быть покрыта свечением, а плотность разрядного тока должна быть больше нормальной плотности для данного давления с учетом эффекта нагрева газа в катодной области разряда.

С появлением установок ИПА нового поколения, использующих в качестве рабочей среды регулируемые по составу смеси водорода, азота и аргона, а так же плазму «пульсирующего», а не постоянного тока, технологичность процесса ионного азотирования существенно возросла.

Использование комбинированного нагрева («горячие» стенки камеры) либо усиленной тепловой защиты (тройной теплозащитный экран) наряду с возможностью независимо регулировать состав газа и давление в камере позволяют при обработке режущего инструмента избежать перегрева тонких режущих кромок в процессе разогрева садки, точно регулировать время насыщения а, соответственно, и глубину слоя, т.к. разогрев изделий возможно производить в безазотной среде, например, в смеси Ar+H2.

Эффективная теплоизоляция в рабочей камере (тройной теплозащитный экран) позволяет обрабатывать изделия с низким удельным энергопотреблением, что позволяет свести к минимуму температурные различия внутри садки во время обработки. Об этом свидетельствует распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для образцов, располагавшихся в разных местах садки (рис. 2).

Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для трех образцов располагавшихся в разных местах садки.

а, в – шестерня массой 10,1 кг, 51 шт., ст – 40Х, модуль 4,5, выдержка 16 часов, Т= 530 0 С;

Читать также: Параллельное соединение светодиодной ленты

б, г – шестерня массой 45 кг, 11 шт., ст – 38ХН3МФА, модуль 3,25 (наружный венец) и 7 мм (внутренний венец), выдержка 16 часов, Т=555 0 С.

Ионное азотирование – эффективный метод упрочняющей обработки деталей из легированных конструкционных сталей: шестерен, зубчатых венцов, вал-зубчатых шестерен, валов, прямозубых, конических и цилиндрических шестерен, муфт, валов-шестерен сложной геометрической конфигурации и др.

Цементация, нитроцементация и ТВЧ-закалка оправдывают себя при изготовлении тяжелонагруженных деталей (зубчатые колеса, оси, валы и др.) низкой и средней точности, не требующих последующей шлифовки.

Указанные виды термообработки экономически нецелесообразны при изготовлении средне- и низконагруженных высокоточных деталей, т.к. при данной обработке наблюдается значительное коробление и требуется последующая шлифовка. Соответственно, при шлифовке необходимо снимать значительную толщину упрочненного слоя.

ИПА позволяет существенно снизить коробление и деформацию деталей при сохранении шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, что позволяет в подавляющем большинстве случаев использовать ИПА как финишную обработку.

Применительно к станкостроению, ионное азотирование зубчатых колес в существенной мере снижает шумовые характеристики станков, тем самым, повышая их конкурентоспособность на рынке.

ИПА наиболее эффективно при обработке крупносерийных однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, вал-зубчатых шестерен и др. Шестерни, подвергнутые плазменному азотированию, имеют лучшую стабильность размеров по сравнению с цементованными шестернями и могут использоваться без дополнительной обработки. При этом несущая способность боковой поверхности и прочность основания зуба, достигаемые с помощью плазменного азотирования, соответствуют цементованным шестерням (таб. 1).

Таблица 1. Характеристики сопротивления усталости сталей в зависимости от способов упрочнения зубчатых колес

Предел выносливости при изгибе, МПа

Предел контактной выносливости поверхности, МПа

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.

Виды стали, подходящие для азотизации

Для обогащения азотом подходят разные виды стали – как легированные, так и углеродистые. С первым типом процесс эффективнее. Особенно, если в составе есть легирующие элементы, способные формировать термостойкие нитриды (хром, молибден, алюминий и прочие). При остывании подобные сплавы – нитролои – не будут становиться хрупкими, а после их твердость значительно увеличивается.

Насколько твердыми будут разные виды стальных сплавов в результате обработки азотом:

• нитролои – до 1200 HV;
• легированные – до 800 HV;
• углеродистые – до 250 HV.

Нужно учитывать и марку стали, которая указывает, для чего предназначено изделие.

Как маркируют сталь, наиболее подходящую для азотирования:

Благодаря термостойким нитридам сталь станет тверже, но толщина азотонасыщенного слоя уменьшится.

Это интересно: Делаем контактную сварку из микроволновки своими руками

Варианты сред для обработки

В настоящее время особо большим спросом пользуется азотная обработка стальных заготовок в аммиачно-пропановой среде. В таком случае у металлургов появляется возможность выдерживать сырье под воздействием 570 градусов на протяжении трёх часов. Образованный в таких условиях карбонитридный слой обладает минимальной толщиной, однако показатели прочности и износостойкости гораздо выше, нежели у тех вариантов, которые были изобретены по обычной методике. Твёрдость данного слоя находится в пределах 600−1100 HV.

Также не менее популярным решением является применение технологии тлеющего разряда, когда материал упрочняют в азотсодержащей разряженной среде, подключая металлические изделия к катоду. В результате заготовка обретает отрицательно заряженный электрод, а у муфеля — положительно заряженный.

Технология позволяет сократить продолжительность действия в несколько раз. Между плюсом и минусом появляется разряд, а ионы газа воздействуют на поверхность катода, нагревая его. Такое воздействие осуществляется несколькими этапами:

• изначально происходит катодное распыление;
• затем очистка поверхности;
• затем насыщение.

На первом этапе распыления выдерживают давление 0,2 миллиметра ртутного столба и напряжение 1400 вольт на протяжении 5−60 минут. В таком случае поверхность нагревается до 250 градусов Цельсия. Второй этап подразумевает использование давления 1−10 миллиметров ртутного столбика при напряжении 400−1100 В. Для процедуры требуется 1−24 часа.

Ещё одним очень эффективным методом обработки является тенифер-процесс, который подразумевает азотирование в жидкости на основе расплавленного цианиста под воздействием температуры 570 градусов Цельсия.

Преимущества технологии

В настоящее время технология азотирования считается самым популярным решением для достижения самых лучших эксплуатационных показателей металлических деталей. При правильном подходе обеспечивается наилучшее сопротивление изнашиванию, к тому же полученные в результате подобной обработки слои обретают высокую сопротивляемость коррозийному воздействию. Прошедшие обработку конструкции не нуждаются в дополнительной термической закалке. За счёт таких особенностей азотирование принято считать ключевым процессом обработки элементов в машиностроении, станкостроении и других сферах, где предъявляются высокие требования к составным частям.

Однако, кроме многочисленных плюсов, у технологии есть и минусы, которые заключаются в дороговизне и продолжительности процедуры. При температурном режиме 500 градусов Цельсия азот способен проникать на 0,01 миллиметров. В таком случае общая длительность процесса достигает одного часа.

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.

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.

Основные виды азотирования

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

• 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.
• 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.
• 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.

Ионное азотирование

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

Материалы для азотирования

Примеры легко азотируемых сталей включают SAE 4100, Серии 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800, британские марки авиационной стали марок BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), нержавеющие стали, некоторые инструментальные стали (например, H13 и P20) и некоторые литые утюги. В идеале стали для азотирования должны быть в закаленном и отпущенном состоянии, при этом азотирование должно проводиться при более низкой температуре, чем температура последнего отпуска. Лучше всего обработать поверхность точеной или шлифованной. После азотирования следует удалить минимальное количество материала, чтобы сохранить твердость поверхности.

Азотирующие сплавы — это легированные стали с нитридообразующими элементами, такими как алюминий, хром, молибден и титан.

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:

• Предварительная подготовка аммиака позволяет увеличить долю твердорастворной диффузии, что снижает долю реакционных химических процессов при переходе активного вещества от окружающей среды в железо.
• 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:

• Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
• Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
• 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.

Область применения азотации стали

Азотирование стали – один из часто используемых методов обработки изделий из сплавов для достижения ими максимальных показателей по твердости и долговечности. Стальные детали не подвергаются деформации, поскольку не требуют последующей закалки. Существенно вырастает стойкость к коррозии, что важно при работе механизмов во влажных средах.

Машиностроительные стали

Использование азотированных сталей актуально не только в машиностроительной и станкостроительной области, но и в создании бытовых приборов – ведь потребители становятся требовательнее к качеству приобретаемых продуктов с каждым годом.

Эта методика позволяет менять характеристики не только стали, но и титановых сплавов. Высокая стоимость оборудования и сложность создания нужной среды окупается точными размерами деталей на выходе, и повышенной износостойкостью. Но есть и показатели прочности, которых нереально достигнуть методом азотации. Тогда сталь легируют, проводя глубокую обработку ее структуры. Минус такого способа – появление вредных примесей.

Видео по теме: Химико-термическая обработка стали

История

Систематические исследования влияния азота на поверхностные свойства стали начались в 1920-х годах. Исследование газового азотирования началось независимо как в Германии, так и в Америке. В Германии этот процесс был встречен с энтузиазмом, и с учетом азотирования было разработано несколько марок стали: так называемые стали для азотирования. Прием в Америке был менее впечатляющим. При таком небольшом спросе об этом процессе в США в значительной степени забыли. После Второй мировой войны этот процесс был повторно введен из Европы. В последние десятилетия было проведено много исследований для понимания термодинамики и кинетики соответствующих реакций.

Обработка растворами из электролитов

Как правило, используется технология применения анодного нагрева. По сути, это разновидность электрохимикотермической скоростной переработки стальных материалов. В основе данного метода лежит принцип использования импульсного электрического заряда, который проходит вдоль поверхности заготовки, размещенной в электролитной среде. За счет комбинированного воздействия зарядов электричества на поверхность металла и химической среды достигается и эффект полировки. При такой обработке целевая деталь может рассматриваться в качестве анода с подводкой положительного потенциала от электрического тока. В то же время объем катода должен составлять не меньше объема анода. Здесь надо отметить и некоторые характеристики, по которым ионное азотирование сталей сходится с электролитами. В частности, специалисты отмечают разнообразие режимов формирования электрических процессов с анодами, которые в том числе зависят от подключаемых смесей электролита. Это дает возможность более точной регуляции технико-эксплуатационных качеств металлических заготовок.

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.

Рекомендации

1. Meka, S.R .; Chauhan, A .; Steiner, T .; Bischoff, E .; Ghosh, P.K .; Миттемейер, Э.Дж. (2015). «Создание дуплексных микроструктур путем азотирования; азотирование сплава Fe – Mn на основе железа». Материаловедение и технологии
   : 1743284715Y.000. Дои:10.1179 / 1743284715Y.0000000098.
2. Кунст, Гельмут; Хаазе, Бриджит; Маллой, Джеймс С.; Виттель, Клаус; Нестлер, Монция К. «Металлы, обработка поверхности». Энциклопедия промышленной химии Ульмана
   . Вайнхайм: Wiley-VCH.
3. Ионное азотирование и нитроцементация спеченных деталей из PM, 7 октября 2004 г.
4. Menthe, E; Булак, А; Olfe, J; Циммерманн, А; Ри, KT (2000). «Улучшение механических свойств аустенитной нержавеющей стали после плазменного азотирования». Технология поверхностей и покрытий
   .
   133
   (1): 259. Дои:10.1016 / S0257-8972 (00) 00930-0.
5. ^ аб
   Загонель, Л; Фигероа, С; Droppajr, R; Альварес, Ф (2006). «Влияние температуры процесса на микроструктуру стали и упрочнение при импульсном плазменном азотировании».
   Технология поверхностей и покрытий
   .
   201
   (1–2): 452. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2005.11.137.
6. Лариш, Б; Бруски, У; Шпионы, HJ (1999). «Плазменное азотирование нержавеющих сталей при низких температурах». Технология поверхностей и покрытий
   .
   116
   : 205. Дои:10.1016 / S0257-8972 (99) 00084-5.
7. Загонель, Л; Фигероа, С; Альварес, Ф (2005). «Исследование методом фотоэмиссионной электронной спектроскопии in situ стали AISI-H13, имплантированной ионами азота». Технология поверхностей и покрытий
   .
   200
   (7): 2566. arXiv:1712.01483. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2004.10.126.

Классификация процессов азотирования

Процессы азотирования

Азотация не требует чрезвычайного повышения температуры, а значит, стальной предмет полностью сохраняет заданную форму и параметры. Это важно при обработке деталей, которые уже прошли шлифовку до нужных размеров. По завершении процедуры изделие остается только отполировать.

Есть у этого способа термохимической обработки и свои минусы. Стоимость процедуры немаленькая. Обогащение азотом стальных сплавов – процедура сложная и небыстрая. Воздействие азота на сталь идет очень медленно, для обработки детали требуется до 2,5 суток. Проводится она в условиях специально оборудованного производственного цеха.

Газовая азотизация

Традиционно азотирование проводится под воздействием газа. Для этого типа рабочей среды смешивают в равных долях аммиак и пропан либо аммиак и эндогаз. Процедура азотации в подобной среде проводится при температурном режиме до 570 °C. На сам процесс диффузии уходит около трех часов. Стальное изделие получает тонкий защитный слой, но отличающийся высокой твердостью.

Газовое азотирование

Разновидностью традиционного вида азотирования является каталитическая газовая азотация. В этом случае проводят предварительную обработку аммиака, чтобы ускорить диффузию и получить большее число ионизированных радикалов.

Несколько убыстрить процесс способно применение жидкой среды для азотирования.

Иногда сама диффузия проходит за полчаса. Рабочей средой здесь является расплав цианистых солей, процесс ведется при температуре до 570 °C.

Но технологии не стоят на месте. На металлургических предприятиях все большей популярностью пользуется ионно-плазменная азотация. Ее еще именуют обработкой при тлеющем разряде.

Основное отличие этой технологии в том, что используется разреженная среда и воздействие электротока. К герметичному контейнеру подключают источник напряжения. Реторта выступает в качестве положительно заряженного электрода, а сама деталь – отрицательно заряженного. Между ними появляется поток ионов. Получившаяся плазма нагревает верхний слой стального изделия, благодаря чему поверхность насыщается азотными соединениями и становится более твердой.

Конструктивные особенности газового азотирования

Термохимический процесс

Азотирование стали проводится в муфели – железной реторте, которая герметично закрывается. В этот контейнер погружают стальные детали, а потом его направляют в специальную печь. Под воздействием необходимых температур и аммиака, выпускаемого из подключенного к муфелю баллона, сталь азотируется.

Дело в том, что аммиак содержит в себе азот, и при определенных условиях выпускает его при разложении. Происходит диффузия азота: атомы этого элемента постепенно проникают в верхний слой материала, образуя нитриды в структуре металла. Эти соединения придают поверхности изделия необходимую твердость и стойкость к коррозии. Толщина защитного слоя может достигать 0,6 мм. Чтобы избежать процесса окисления, печь охлаждают медленно.

Главными факторами, влияющими на азотирование, считаются:

• выбранный температурный режим;
• давление газа;
• степень разложения аммиака;
• время, которое муфель находится в печи.

При росте температуры уровень твердости вследствие коагуляции нитридов может стать меньше, но действие проходит быстрее.

Общая технология для всех видов азотирования

Металлургическая отрасль не стоит на месте, и у традиционного газового азотирования появились вариации. Но последовательность технологических операций практически одинакова:

• Предварительная обработка.
• Защита частей, не требующих азотации.
• Азотирование деталей.
• Конечная отделка.

На первом этапе обрабатываемую деталь требуется закалить. Для этого изделие охлаждают в масле или воде при температуре в 940 °C. После идет процесс отпуска (температура около 600 °C). Металл становится тверже и удобнее для нарезания. Далее деталь подвергают механической обработке, чтобы уточнить все необходимые параметры, например, шлифуют.

Технология процесса азотирования

Второй этап предполагает нанесение защитного слоя на участки, которым не требуется насыщение азотом. На них путем электролиза наносят тонким слоем олово либо жидкое стекло. Создается защитная пленка, мешающая азотированию – атомы элемента не могут ее преодолеть. Далее проходит само азотирование, изделие постепенно будет становиться все тверже и устойчивее к внешним факторам.

На конечном этапе азотированные детали шлифуют, чтобы придать им точно заданную форму. Этот процесс не бывает длительным, поскольку заметной деформации геометрии изделия не происходит. Время на конечную отделку зависит от температуры и толщины поверхности, которая была обработана азотом.

Гарантию отсутствия изменений в стальном изделии дает современный вариант технологии – ионно-плазменное азотирование. При нем деталь совсем не деформируется, поскольку действие проходит при более низких температурах.

Технологическая схема азотации

Хоть азотация может выполняться различными способами, но схема подготовки материалов и технологических операций практически идентична. Существует несколько вариантов азотирования:

• газовое;
• инновационное плазменное;
• ионное.

Несмотря на разновидность азотирования металла результат обработки направлен на получение максимально прочного и износостойкого изделия.

Подготовительная термообработка

Данный вид обработки состоит из закалки изделия и его высоком отпуске. Закаливание стального элемента выполняется в температурном режиме выше 940 градусов. Охлаждение при подготовительной обработке производится исключительно в масле либо воде. После закалки металла при температуре 940 градусов происходит отпуск при 600-700 градусах. Обрабатываемая стальная деталь наделяется повышенной твердостью.

Механическая обработка

Операция заключается в шлифовке готовой детали. Точная геометрия деталей является залогом приобретения необходимых прочностных свойств и длительной эксплуатации её в дальнейшем.

Защита частей деталей, не подвергающихся азотации

Данный этап обработки стали необходим для защиты элементов, которые не должны азотироваться. Для защиты используется олово или жидкое стекло, которое наносится на поверхность металлической детали тонким слоем не более 0,015 мм. Технология электролиза для закрепления данных материалов обеспечивает его надежное крепление на поверхности сталесплава, а также высокую устойчивость к азотистой среде, поэтому вещество не проникает во внутреннюю структуру стальной детали.

Азотирование

Для разных марок стали нужна определенная температура нагрева. При этой температуре сталь выдерживают в течение определенного количества часов. Благодаря данным параметрам формируется слой на различной глубине, обеспечивающем определенную номинальную твердость поверхности. Для стали марки 7ХЗ температура нагрева составляет 500-520 градусов. Выдержка стали происходит в течение 48-60 часов, обеспечивается глубина слоя 0,4-0,5 мм, а номинальная твердость поверхности составляет 1000-1100.

Итоговая обработка

Данный этап обработки стали позволяет довести геометрические и механические параметры стального элемента до необходимого значения. Так как во время азотирования изменения геометрии весьма незначительно, то на финише изменения будут минимальными. Несмотря на то, что деталь подвергается минимальной температурной обработке, всё же придётся несколько доработать элементы, так как азотистый слой может несколько влиять на геометрию. Для того чтобы избежать какой-либо деформации в процессе азотации элемента, можно использовать более совершенную технологию — ионное азотирование. Технологический процесс ионно-плазменной азотации предполагает минимальные показатели воздействия температурных режимов на детали из стали, вероятность деформирования стали стремится к минимуму.

Ионно-плазменное азотирование зарекомендовало исключительно с положительной стороны. Среди плюсов стоит подчеркнуть, что азотация происходит при пониженных температурах, в отличие от традиционных вариантов. Для того чтобы осуществить ионно-плазменную азотацию, чаще всего используют сменный муфель либо вмонтированную деталь установки. Данные элементы обеспечивают ускорение процесса совершенствования металла, но не во всех случаях экономически оправданы.

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.

38Х2МЮА

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.

40Х, 40ХФА

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.

30Х3МФ1

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

Разновидности обрабатываемой стали

Современная металлургия использует технологию азотирования для обработки углеродистых и легированных сталей, где доля углерода составляет 0,3−0,5%. Высокую успешность процедуры можно заметить при выборе легирующих металлов, способных создавать нитриды с высокими показателями термостойкости и твёрдости. Для примера, особая результативность процесса характерна при использовании тех конструкций, в составе которых сосредоточен алюминий, молибден, хром и другое подобное сырье. Подобные стальные заготовки принято называть нитраллоями.

Молибден способен предупреждать отпускную хрупкость, которая вызывается медленным остыванием стали после успешного завершения обработки. В итоге материал обретает следующие характеристики:

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

Рекомендуемые марки

Выбор конкретных марок стали определяется сферой эксплуатации элемента из металла. В основном металлурги выделяют следующие критерии:

• Если вам необходимо получить детали с высокими показателями поверхностной твердости, выбирайте марку 38Х2МЮА. Она отличается высоким содержанием алюминия, который вызывает низкую деформационную стойкость изделия. Если в стали отсутствует алюминий, это негативно сказывается на твёрдости и износостойкости, хотя расширяет сферы применения и позволяет воспроизводить самые сложные конструкции и заготовки;
• При станкостроении используются улучшаемые марки легированной стали 40Х, 40ХФА;
• Если речь идёт об изготовлении деталей с высоким риском циклических нагрузок на изгиб, используйте продукцию под марками 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА;
• Что касается топливных агрегатов, где требуется применение сложнейших металлических изделий с высокой точностью изготовления, то есть смысл остановить свой выбор на модели 30Х3МФ1;

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:

• Очищение поверхности заготовки путем распыления катода.
• Непосредственное насыщение стали азотом.

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

Обзор способов азотирования

Методы азотирования часто различают по агрегатному состоянию азота в исходном состоянии:

— жидкий: Карбонитрирование (цианирование) в расплаве солей

— газообразный: Газовое азотирование и карбонитрирование

— ионизированный газ: азотирование и карбонитрирование в плазме тлеющего разряда

Таблица 1 — Обзор способов азотирования

Названные методы азотирования имеют, однако, свои достоинства и недостатки, которые должны приниматься во внимание при выборе азотирования как альтернативы цементации в зависимости от требуемых параметров детали и достигаемых свойств в процессе азотирования.

Процесс азотирования в расплаве солей благодаря короткому времени процесса является очень гибким. Этот метод наиболее выгоден в тех случаях, когда на первом месте стоит повышение износо- и коррозионностойкости обрабатываемых поверхностей. Однако некоторые, более и менее значимые недостатки этого процесса, ограничивают применение данного метода, в особенности для больших деталей:

— Большие затраты на мойку после азотирования

— Большие затраты на восстановление и удаление соли и моечного раствора

— Большие затраты энергии при работе ванны, что ограничивает размер ванны

— Температура обработки сильно ограничена

— Частичное азотирование трудноосуществимо

Газовое азотирование и карбонитрирование — это более универсальные процессы азотирования, которые в прошедшие 10 лет интенсивно развивались с точки зрения технологии, оборудования и систем управления. Эти два метода являются очень хорошей альтернативой цементации. В особенности при обработке крупного инструмента и зубчатых колес на основании существенного снижения температуры обработки и отсутствия дальнейшей обработки азотирование имеет экономические преимущества по сравнению с цементацией.

Несмотря на высокий технологический уровень этих методов газового азотирования, имеется несколько моментов, которые ограничивают применяемость этих методов с технических, экономических и экологических точек зрения:

— Высокое потребление газа

— Использование горючих газов, что требует специальных мероприятий по защите

— Нет возможности депассивации поверхности деталей в процессе азотирования

— Невозможно азотирование нержавеющих сталей

— Высокие расходы по нанесению и удалению специальных средств для защиты неазотируемых поверхностей