Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

05Мар

• By: Семантика
• Без рубрики
• Comment: 0

Уделим внимание популярному сегодня методу укрепления заготовок. Подробно рассмотрим технологический процесс азотирования стали, со всеми его основными видами и особенностями. Отдельно разберем факторы влияния и зависимость среды – чтобы вы понимали, какому способу отдавать предпочтение в той или иной ситуации.
Сразу отметим возможность проведения широкого ряда сопутствующих операций. Не составляет труда предварительно закалить будущее изделие, выполнить нужный отпуск и шлифовку. На завершающем же этапе без проблем осуществляется полировка. Финансовые и трудовые затраты на реализацию всего цикла сравнительно небольшие, поэтому он востребован и популярен на предприятиях самых разных промышленных масштабов.

1. Суть технологии и ее назначение
2. Виды азотирования сталей
3. Газовая азотация стали
4. Термохимический процесс
5. Как осуществляют процесс азотирования поверхности
6. Факторы, влияющие на азотацию
7. Температура проведения операции
8. Давление газа
9. Продолжительность выдержки в печи
10. Типы сред для проведения процедуры
11. Аммиачно-пропановая
12. Тлеющий разряд
13. Жидкая
14. Какие металлы подлежат азотированию
15. Свойства и преимущества укрепленных поверхностей

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

Свойства и преимущества укрепленных поверхностей

Стали, которые подвергаются азотированию, приобретают такие показатели твердости:

• 250-200 HV – углеродистые;
• 800-600 HV – легированные сплавы;
• 1200 HV – насыщенные алюминием, хромом, другими добавками нитраллоя.

Еще один важный практический плюс, получаемый в результате обработки, – коррозионная стойкость. Упрочненные таким образом детали перестают бояться ржавчины, от окисления они уже не разрушатся, а значит при использовании (как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе) они начинают вести себя более стабильно и предсказуемо. Следующее ключевое достоинство метода – неизменность любых других показателей, включая геометрические. Глубина азотирования, необходимая для придания достаточной твердости, сравнительно небольшая. Укрепляющий слой получается всего 0,5-0,6 мм в толщину: если он и увеличивает линейные размеры заготовки, то несущественно, а на отпуск вообще никак не влияет. может вам в помочь – мы занимаемся продажей ленточнопильных станков, если хотите уточнить интересующую вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по контактным телефонам, указанным на странице.

И, наконец, отсутствие дефектов в процессе реализации метода. Любая разновидность операции упрочнения нитридами считается щадящей, так как проводится при такой температуре, при которой атомная решетка материала не меняется, а стабилизируется.

В качестве завершения предлагаем ознакомиться с полезными роликами по теме. Они помогут не только в общих чертах представлять себе цель азотирования металла вообще и сталей в частности, но и предметно понять, каким же образом осуществляется этот процесс. А в том, что он заслуживает реализации, уже не приходится сомневаться, ведь его конечный результат – упрочненная деталь, готовая к длительной эксплуатации.

Марки стали для азотирования

Подобной разновидностью ХТО обрабатываются легированные и углеродистые стали, содержащие С в пределах от 0,3% до 0,5%. Особо высокую результативность обеспечивают легирующие компоненты, что способны образовать высокопрочные и устойчивые к термическому воздействию нитриды, к примеру, алюминий, молибден или же хром. Впрочем, повышающие твердость поверхностного слоя компоненты, нередко не позволяют наносить достаточно толстый слой азота на поверхность.
Для азотирования рекомендуется использовать такие марки низколегированной и легированной стали:

• 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).

Процесса деформации структуры

Практические все методы насыщения поверхностей металлических заготовок базируются на подключении температурного воздействия. Другое дело, что дополнительно могут задействоваться электрические и газовые методики коррекции характеристик, изменяющие не только наружную, но и внешнюю структуру материала. Главным образом технологи добиваются улучшения прочностных качеств целевого объекта и защиты от внешних воздействий. Например, стойкость к коррозии является одной из основных задач насыщения, в рамках которого выполняется азотирование стали. Структура металла после обработки электролитами и газовыми средами наделяется изоляцией, способной противостоять и механическим естественным разрушениям. Конкретные параметры изменения структуры определяются условиями будущего использования заготовки.

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.

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.

Разновидности азотирования и используемое оборудование

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

Изделие после обработки

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.

Азотирование электролитом

Какие факторы влияют на азотирование

Ключевое воздействие на процедуру оказывают следующие факторы:

• температурный режим;
• давление газа;
• пролонгированность азотирования.

Конечный результат может определяться и степенью разложения активного вещества, которая варьируется в пределах 15−45%. К тому же важно учитывать одну особенность: чем выше температурные показатели, тем хуже прочностные показатели азотного слоя, но выше скорость диффузии. Твёрдость обусловлена коагуляцией нитридов.

Чтобы «выжать» из процедуры максимум положительных свойств и сократить время на обработку, некоторые металлурги практикуют двухэтапный режим работы. На начальном стадии стальную заготовку обогащают азотом под воздействием температуры 525 градусов. Этого вполне достаточно для обогащения верхних слоёв и повышения твёрдости.

Следующий этап подразумевает применение более высокого температурного режима от 600 до 620 градусов Цельсия. В данном случае глубина полученного слоя доходит до заданных значений, а весь процесс ускоряется практически в два раза. Тем не менее показатели твёрдости остаются аналогичными, как и при одноступенчатой обработке.

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.

Технология по-особому незаменима при выборе изделий из легированных сплавов или стали, к которым предъявляются высокие требования по эксплуатационной выносливости.

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.

Принцип процесса

Если сравнивать азотирование с традиционной цементацией, то первый вариант предлагает множество весомых преимуществ, нехарактерных для других технологий. По этой причине его до сих пор считают самым лучшим и эффективным способом обработки стальных конструкций с целью получения максимальных показателей прочности без применения дополнительной термообработки. Плюсом методики принято считать сохранение прежних размеров заготовки, что позволяет применять её уже к готовым изделиям, прошедшим термическую закалку с высоким отпуском и шлифование до окончательной формы. Успешное завершение азотирования позволяет проводить конечную полировку и другую обработку.

Процесс выполняется под воздействием аммиака, который нагревается до определенных температур. В результате материал поддаётся насыщению азотом и обретает массу уникальных свойств, включая:

• улучшенную износостойкость металлических деталей, которая обеспечивается повышением индекса твердости их поверхностного слоя;
• более высокую выносливость или усталостную прочность заготовки;
• приобретение стойкой антикоррозийной защиты, которая остаётся прежней даже при воздействии с водой, воздухом и газовоздушной средой.

Прошедшие азотную обработку детали гораздо качественнее, чем аналогичные изделия, поддавшиеся цементации. Известно, что после второй процедуры слой сохраняет стабильную твердость лишь при условиях, что температурные показатели не превышают 225 градусов. В случае с азотом максимальный порог достигает 550−600 градусов. Это объясняется выработкой поверхностного слоя, который в несколько раз прочнее, чем традиционная закалка и цементация.

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.

Разновидности методов азотирования

Подходы к азотированию могут различаться. Обычно выделяют два основных метода в зависимости от условий азотирования металла. Это могут быть методы повышения поверхностной износостойкости и твердости, а также улучшение коррозионной стойкости. Первый вариант отличается тем, что изменение структуры производится на фоне температуры, составляющей порядка 500 °C. Сокращение азотирования обычно достигается при ионной обработке, когда посредством анодов и катодов реализуется возбуждение тлеющего разряда. При втором варианте производится легированное азотирование стали. Технология данного типа предусматривает температурную обработку при 600-700 °C с продолжительностью процесса до 10 часов. В таких случаях обработка может сочетаться с механическим воздействием и термической доводкой материалов, в соответствии с точными требованиями, к результату.

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.

Католическое азотирование

Рабочее пространство в данном случае формируется диссоциированным аммиаком с поддержкой температурного режима порядка 200-400 °С. В зависимости от начальных качеств металлической заготовки подбирается оптимальный режим насыщения, достаточный для коррекции заготовки. Это касается также изменения парциального давления аммиака и водорода. Необходимый уровень диссоциации аммиака достигается за счет контроля давления и объемов газового снабжения. При этом, в отличие от классических методов газового насыщения, католическое азотирование стали предусматривает более щадящие режимы обработки. Обычно данная технология реализуется в условиях азотосодержащей воздушной среды с тлеющим электрическим зарядом. Функция анода выполняется стенками камеры нагрева, а катода – изделием.

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.

Недостатки азотирования

Метод ориентирован на внешнюю доработку поверхностей металла, что обуславливает ограничение по защитным показателям. В отличие от углеродной обработки, к примеру, азотирование не способно корректировать внутреннюю структуру заготовки с целью снятия напряжения. Другим недостатком является риск негативного воздействия даже на внешние защитные свойства подобного изделия. С одной стороны, процесс азотирования стали может повышать коррозийную стойкость и влагозащищенность, но с другой – он же будет минимизировать плотность структуры и, соответственно, скажется на прочностных свойствах.

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

Выводы

Высокая популярность азотирования в различных сферах промышленности обуславливается возможностью получения стабильного результата при невысоких затратах. Наиболее распространена азотация в тяжелой промышленности, машиностроении, станкостроении. Именно в данных отраслях требуется соблюдение наилучшего соотношения трех параметров — качества, времени и стоимости.

Используемая литература и источники:

• Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов: моногр. / Куксенова Лидия Ивановна. — М.: Московский Государственный Технический Университет (МГТУ) имени Н.Э. Баумана, 2012.
• Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов / И.Н. Кидин и др. — М.: Металлургия, 1978.
• Статья на Википедии

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.

Воздействие с ионами плазмы

Это метод насыщения металлов в азотсодержащем вакууме, в котором возбуждаются электрические тлеющие заряды. В качестве анодов могут служить стенки нагревательной камеры, а катодом выступают непосредственно обрабатываемые заготовки. С целью упрощения контроля слоевой структуры допускается коррекция технологического процесса. Например, могут изменяться характеристики плотности тока, степень разряжения, расход азота, уровни добавления чистого технологического газа и т. д. В некоторых модификациях плазменное азотирование стали предусматривает и подключение аргона, метана и водорода. Отчасти это позволяет оптимизировать внешние характеристики стали, но технические изменения все же отличаются от полноценного легирования. Главная разница заключается в том, что глубинные структурные изменения и коррекции производятся не только по внешним покрытиям и оболочкам изделия. Ионная обработка может затрагивать полную деформацию структуры.

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.

Механизм азотной обработки стали

Процедуру выполняют в нагретой до 500−600 градусов Цельсия герметично закрытой среде из железа, которую устанавливают в печь. Точные показатели температуры муфели (закрытой реторты) определяются режимом и ожидаемым результатом. То же самое касается времени процедуры. В контейнере размещаются элементы из стали, которые будут насыщаться азотом.

В процессе выполнения действия в реторту из баллона подаётся аммиак, который характеризуется способностью диссоциации (разложения) под воздействием определенной температуры. Механизм азотирования можно описать следующей формулой: 2 NH3 → 6H +2N.

В результате на поверхности железных изделий образуется слой нитридов, для которых характерна особая твердость. Как только процедура завершается, печь охлаждают вместе с потоком аммиака. Подобными действиями удаётся закрепить эффект по твердости слоя и предотвратить окисление поверхности.

Толщина нитридного слоя достигает 0,3−0,6 миллиметров. В итоге необходимость в термической обработке для улучшения показателей прочности банально пропадает. Формирование азотного слоя выполняется по сложной схеме, однако, путём продолжительных исследований металлурги изучили её максимально подробно. В сплаве возникают следующие фазы:

• 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.

Если удаётся довести процесс до температуры 591 градусов Цельсия, это позволяет заметить ещё одну α-фазу. При достижении лимита насыщения возникает ещё одна фаза. Эвтектоидный распад производит 2,35% азота.

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

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.

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.

Преимущества азотирования

К основным достоинствам технологии относится разнообразие режимов насыщения заготовок и универсальность применения. Поверхностная обработка с глубиной порядка 0,2-0,8 мм дает возможность также сохранять базовую структуру металлической детали. Впрочем, многое зависит от организации процесса, в рамках которого выполняется азотирование стали и других сплавов. Так, по сравнению с легированием, использование азотной обработки требует меньше затрат и допускается даже в домашних условиях.