Азотирование стали: описание и особенности процедуры

Азотирование стали: описание сути и методики процесса, технологических этапов и рекомендуемых марок стали

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

Суть процесса азотирования

По сравнению с цементацией азотирование имеет несколько веских преимуществ, которое сделало его основным способом улучшения показателей стали. Азотированный слой обладает высоким показателем твердости без дополнительной термообработки.

Кроме того, после азотирования размер обрабатываемой детали остается практически неизменным. В отличие от цементационного процесса, его можно применить к готовым изделиям, которые прошли термическую закалку с высоким отпуском и отшлифованы до окончательных форм.

После азотирования детали полностью готовы к чистовой полировке и другой обработке.

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

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

Результаты азотирования намного ценнее в плане дальнейшей эксплуатации, нежели показатели изделия после цементации.

Так, слой после цементации может сохранять стабильные показатели твердости при температуре не более 225 °С, а слой с азотом – до 550-600 °С.

Причиной тому служит сам механизм азотирования, вследствие которого образуется поверхностный слой, который в 1,5-2 раза прочнее, чем после закалки и той же цементации.

Механизм азотирования

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

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

2 NH 3 →6 H +2 N ,

откуда полученный в результате этого разложения атомарный азот проникает в металл путем диффузии. Это приводит к образованию нитридов на поверхности железных изделий.

А нитриды и их твердые растворы характеризуются повышенной твердостью. По окончании процедуры печь должна плавно охлаждается вместе с потоком аммиака.

Такой подход закрепляет эффект по твердости слоя, не давая поверхности окислиться.

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

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

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

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

Факторы, влияющие на азотирование

Основными моментами, оказывающими ключевое влияние на процесс, являются температурный режим, давление газа и пролонгированность азотирования.

Эффективность также зависит от степени диссоциации аммиака, которая может быть в районе 15-45%.

Причем существует определенная зависимость: чем выше температура, тем ниже твердость слоя азотирования, но выше скорость диффузии. Показатель твердости вызван коагуляцией нитридов.

Для того чтобы использовать механизм по максимуму и ускорить его, прибегают к двухэтапному режиму. Начальная стадия обогащения азотом проходит при температурах до 525 °С, что обеспечивает верхним слоям стали высокую твердость.

Затем азотирование проходит вторую ступень при температурном режиме от 600°С до 620 °С. При этом в очень короткое время глубина азотированного слоя доходит до заданных значений, ускоряя весь процесс почти в 2 раза.

Однако, твердость образованного в результате ускорительного этапа слоя ничем не будет отличаться от слоя, который сформирован по стандартной одноступенчатой методике.

Какие стали азотируются

Для азотирования применяются как углеродистые стали, так и легированные, в которых доля углерода 0,3-0,5%. Наилучший результат можно получить при использовании стали с легирующими металлами, которые образуют наиболее термостойкие и твердые нитриды.

Так, наиболее результативен процесс азотирования для легированных сталей, которые имеют в своем составе алюминий, молибден, хром и подобные металлы. Стали с таким составом называют нитраллоями.

Молибден, в частности, предупреждает отпускную хрупкость, вызванную медленным остыванием стали после процесса насыщения азотом. Характеристики стали после азотирования:

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

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

Рекомендованные марки стали

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

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

Технология процесса

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

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

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

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

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

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

Варианты сред для механизма азотирования

Аммиачно – пропановая среда

Последнее время весьма активно применяется метод обработки металла газом, состоящим на ½ из аммиака и на ½ пропана, или тех же пропорций аммиака и эндогаза. Такая среда дает возможность проводить процедуру в 3 часа при 570 ˚С.

Карбонитридный слой, образуемый при этом, характеризуется небольшой толщиной. Но износостойкость и прочность у него намного выше, нежели у слоя, полученного по обычной методике. Твердость данного слоя находиться в границах 600-1100 HV .

Применяется такой подход для изделий из легированных сплавов или стали, к которым выдвинуты особые требования по предельной эксплуатационной выносливости.

Тлеющий разряд

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

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

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

Жидкая среда

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

Азотирование — выводы

Азотирование один из наиболее популярных способов доведения металлических деталей до наилучших показателей сопротивления изнашиванию. Кроме того, полученные в результате насыщения азотом поверхностные слои имеют высокую сопротивляемость коррозии.

Изделия, прошедшие насыщение азотом, не требуют дополнительной термической закалки.

В результате чего, азотирование стало ключевым процессом обработки деталей в машиностроении, станкостроение и в других сферах, выдвигающих высокие требования к составным элементам.

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

Источник: https://stanok.guru/stal/metodika-preimuschestva-i-etapy-processa-azotirovaniya-stali.html

Особенности и методы азотирования стали

Азотирование, или насыщение азотом поверхности стальных изделий относится к современным разновидностям термохимической обработки металлов. Процесс повышает прочность сплава и антикоррозийные характеристики.

Если сравнивать два процесса — азотирование и цементирование, то первый считают более эффективным. Обработанная азотом сталь не боится термического воздействия до +600 ˚С.

При цементировании этот показатель не больше +225 ˚С.

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

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:

Марка	Использование	Технологические данные	Максимальные параметры слоя
Твердость сердцевины (HRC)	Максимальная температура (˚С)	Глубина (мм)	Поверхностная твердость (HV)
Горячая обработка металла
4Х5МФС	Пресс-формы, молотовые штампы, прессовые вставки	35–55	560	0,3	1100
3Н3М3Ф	Формы литья под давлением, ударно-штамповой, мерный, режущий инструмент	35–51	560	0,3	1100
5ХНМ	Штампы горячего деформирования	36–44	550	0,3	760
3Х2В8	Прессовое тяжело нагруженное оборудование	35–50	560	0,25	1100
Холодная обработка металла
Х12	Холодные штампы	50–55	520	0,2	1100
Х12М	Накатные ролики, волочильные доски, глазки калибрования, матрицы, пуансоны	53–60	520	0,2	1200
Х12МФ	Ножи, клинки	56–58	480	0,2	1300
Х12Ф1	Инструмент с тонкой режущей кромкой	52–60	550	0,2	1250

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

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:

1. Предварительная обработка.
2. Защита частей, не требующих азотации.
3. Азотирование деталей.
4. 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.

Область применения азотации стали

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

Источник: https://promzn.ru/metallurgiya/osobennosti-i-metody-azotirovaniya-stali.html

Азотирование – зачем выполняется этот вид химико-термической обработки стали

Азотирование является одним из видов химико-термической обработки сплавов и металлов, цель которой состоит в придании им повышенных прочностных характеристик.

Данный способ обработки подразумевает насыщение поверхностного слоя стали азотом при ее нагреве в аммиачной атмосфере. Итогом процедуры является:

• повышение износостойкости металлических деталей и твердости их верхней части;
• увеличение выносливости стальных изделий;
• придание обрабатываемому материалу высоких антикоррозионных свойств.

Характеризуемый мартенситным строением цементованный слой сохраняет повышенные показатели твердости при температурах не выше 225 ˚С. А вот при обработке металла азотом данная величина повышается до 550–600 ˚С.

Схема создания азотированного слоя достаточно сложна, но хорошо освоена специалистами металлургической сферы. В сплаве азота и железа наблюдается формирование таких фаз:

• раствор (твердый) Fe3N, в котором азота содержится от 8 до 11,2 %;
• раствор (твердый) Fe4N (азота – от 5,7 до 6,1 %);
• раствор N в α-железе.

При температурах превышающих показатель в 591 ˚С имеется еще одна фаза, распад которой происходит эвтектоидно, что приводит к образованию 2,35 % азота.

Сам процесс насыщения металла, осуществляемый в аммиачной атмосфере, проходит по уравнению 2NH3 → 2N + 6H. Атомарный N, который образуется в результате данной реакции, диффундирует в железо.

В тех случаях, когда насыщение стали азотом выполняется при температуре менее 591 градуса, сначала появляется α-фаза.

Следующая же фаза стартует только тогда, когда α-структура достигает лимита насыщения.

Химико-термическая обработка поверхностей сплавов и сталей с использованием азота производится в несколько стадий:

1. Выполняется термическая предварительная обработка металла, включающая в себя две операции – его закалку и отпуск (высокий). Такая обработка обеспечивает высокую вязкость и прочность сердцевины детали. Закалка стали осуществляется при высоких температурах (в районе 940 ˚С) с последующим охлаждением в масле либо обычной воде. Температура отпуска – от 600 до 670 ˚С. Столь высокая ее величина обусловлена необходимостью придания изделию твердости, необходимой для выполнения эффективной его резки.
2. Производится механическая обработка заготовки, а затем и шлифование металла. Эти операции требуются для того, чтобы деталь имела требуемые (финальные) геометрические параметры.
3. Защита частей металлической поверхности, которые не планируется насыщать азотом. Сделать это несложно путем применения жидкого стекла либо олова, которое наносится толщиной не более 0,015 миллиметра на заготовку по электролитической технологии. Олово формирует непроницаемую тонкую пленку, которую азот преодолеть не может.
4. Непосредственно насыщение стали азотом.

После проведения всех этих процедур выполняется доводка либо шлифовка деталей.

Тонкостенные заготовки сложной формы упрочняются при температурах до 520 ˚С. А продолжительность операции зависит от того, какой слой азота планируется получить в результате обработки. При этом нужно помнить, что толщина слоя будет увеличиваться, а твердость уменьшаться при повышении температуры проведения процедуры.

Снижение показателя твердости вызывается коагуляцией нитридов. Как правило, толщина упрочненного слоя должна быть на уровне 0,3–0,6 мм. Исходя из этого и подбирают температуру операции, а также ее продолжительность. Чаще всего она длится от 24 до 60 часов при температуре в пределах 500–520 градусов.

Геометрические размеры заготовки при описываемой нами химико-термической обработке из-за повышения объема поверхности могут незначительно изменяться. Величина увеличения деформации при этом напрямую зависит от толщины слоя и повышения температуры процесса.

Если требуется ускорить операцию насыщения азотом металлов, ее проводят в две ступени – при температурах до 520 ˚С (первый этап) и от 540 до 560 ˚С (второй этап).

Подобная схема уменьшает длительность процесса, а твердость полученного слоя остается такой же высокой, как и при использовании стандартной методики.

Охлаждение заготовки после процедуры выполняется в аммиачном потоке вместе с печью. Это не дает поверхности окислиться.

На большинстве современных предприятий интересующая нас методика упрочнения поверхности стали осуществляется в печах шахтного типа, в которых рабочая максимальная температура равняется 700 ˚С, а газ циркулирует принудительно. Подобные печи могут иметь стационарный либо сменный муфель.

Если применяется два муфеля, операция проходит намного быстрее: сменный муфель с заготовками загружается в агрегат сразу же после того, как первый с готовыми деталями вынимается из него. Но не всегда данная схема экономически целесообразна. Например, когда азотом насыщаются поверхности крупных по размерам деталей, рекомендуется выполнять их обработку в одномуфельных печах.

Сейчас достаточно активно используется методика насыщения металлов азотом, осуществляемая в атмосфере, состоящей из 50 % аммиака и 50 % пропана либо из аммиака и эндогаза в тех же равных пропорциях.

Длится процедура не более 3 часов при температуре 570 градусов.

В результате формируется карбонитридный слой небольшой толщины, который характеризуется повышенной износостойкостью и малой хрупкостью по сравнению со слоем, получаемым по обычной схеме.

Твердость слоя в данном случае варьируется в пределах 600–1100 НV (для легированных сплавов и сталей). Рекомендована методика для тех изделий, к которым выдвигаются повышенные требования по величине предела выносливости в процессе эксплуатации.

Существует и технология химико-термического упрочнения металлов, предполагающая выполнение операции в тлеющем разряде. Производят ее в азотсодержащей разряженной атмосфере посредством подключения заготовки к катоду (отрицательно заряженный электрод). Контейнер агрегата при этом выполняет функцию положительного электрода (анода).

Методика с применением тлеющего разряда обеспечивает снижение общей длительности операции в несколько раз.

Суть ее такова: разряд возбуждается между анодом и катодом, ионы газа (N2 или NH3) направляются на поверхность отрицательно электрода и нагревают его до требуемой температуры. Процесс идет в два этапа.

Сначала, используя катодное распыление, поверхность очищают, а затем осуществляют непосредственно насыщение.

Распыление выполняется при давлении до 0,2 мм рт. ст. и напряжении до 1400 В на протяжении 5–60 минут. Поверхность в течение этой операции имеет температуру до 250 ˚С. Затем приступают ко второй стадии обработки металла, которая проводится при следующих условиях:

• 1–24 часа – длительность;
• 400–1100 В – рабочее напряжение;
• 1–10 мм рт. ст. – давление;
• 470–580 ˚С – температура насыщения.

Также достаточно популярным считается и тенифер-процесс (насыщение азотом в жидкой среде), выполняемый в цианистых расплавленных слоях на протяжении 30–180 минут при температуре 570 градусов.

Источник: http://tutmet.ru/azotirovanie-stali-metalla.html

Азотирование стали и его особенности

Под азотированием стали понимается насыщение ее азотом. Данная методика используется для поверхностного упрочнения материала относительно недавно – с 20-х годов минувшего столетия. Процедура производится на уже готовых изделиях, которые не только прошли окончательную термическую обработку, но и были доведены до необходимого размера при помощи шлифовки.

Особенности технологии азотирования стали

Насыщение аммиаком подразумевает нагревание стальной детали в атмосфере аммиака (NH3) при температуре от 500 до 700 °С.

Для нагревания применяются специальные герметичные печи, через которые по технологии пропускается аммиак.

В процессе нагревания происходит разложение последнего, и в результате выделяется атомарный азот, поглощающийся поверхностью стали и проникающий глубоко внутрь.

Основным требованием к азотированному слою является повышенный показатель твердости и износоустойчивости. И достигается это, благодаря применению сплавов, в состав которых входит алюминий. Чаще всего речь идет о марке 38ХМЮА, которая кроме железа и углерода включает в себя хром, молибден и алюминий.

В процессе насыщения азотом данной стали образуются нитриды железа, хрома, молибдена и алюминия, которые придают поверхностному слою обрабатываемой детали особенно высокие показатели твердости (порядка 1200 HV).

Для производства деталей, которые принципиально допускают меньший показатель твердости упроченный поверхность, допускается использование азотируемых сталей, в состав которых не входит алюминий. Такие стали имеют при пониженной твердости азотированного слоя более высокие механические характеристики и технологичность.

Под механическими характеристиками при этом подразумеваются такие показатели, как предел текучести, ползучести, длительной прочности материала, а также прочности на разрыв, а под технологичностью – свойства металла, определяющие его приспособленность к достижению минимальных затрат при производстве и эксплуатации.

Основной недостаток, который имеет технология насыщения стали азотом – это очень большая длительность процедуры. В среднем процесс занимает не менее 90 часов. Глубина азотированного слоя после обработки получается от 0,3 до 0,6 мм.

Процедура может производиться по двум режимам:

• одноступенчатому (с выдержкой 90 часов при температуре до 520 °С)
• двухступенчатому( с выдержкой от 15 до 20 часов при температуре до 520 °С и с выдержкой от 20 до 25 часов при температуре до 570 °С).

Если речь идет о декоративной обработке азотом, ей могут подвергаться любые типы стали, включая черные углеродистые. Температура при этом может варьироваться от 600 до 700 °С, а выдержка – от 50 минут до 1 часа.

Если подвергать обработке необходимо не всю деталь, а только ее часть, неподлежащие азотированию места покрывают тонким слоем олова.

Разновидности азотирования и используемое оборудование

Насыщение сталей азотом может производится разными способами:

Газовое азотирование

При проведении данной процедуры насыщение стали производится от 400 до 1200 °С, а в качестве среды для насыщения используется диссоциированный аммиак (аммиак, пропущенный при высоких температурах через специальный реактор – диссоциатор). Для того чтобы изменить структурные характеристики и механические свойства получаемого слоя можно применять:

• различные режимы температур;
• воздух;
• разбавление диссоциированного аммиака;
• водород (редко).

1 – упрочняемое изделие; 2 – водоохлаждаемая камера; 3 – активный экран; 4 – нагревательный элемент; 5 – стол; 6 – подвод высокого напряжения к экрану; 7 – вентилятор; 8 – подвод насыщающей газовой среды; 9 – подвод высокого напряжения к упрочняемому изделию; 10 – к вакуумному насосу

Для проведения процедуры газового азотирования подходят камерные или шахтные ретортные печи.

В камерных печах насыщение азотом производится в жароупорной герметичной камере, расположенной внутри конструкции. Футеровку печи обычно изготавливают из легкого кирпича и волокнистой изоляции.

В шахтных реторных печах азотирование производится в подвешенной внутри герметичной реторе. Преимущество данных печей заключается в возможности равномерного распределения температуры и точной цифровой регулировке процесса.

Что касается муфельных печей, из-за особого расположения в них нагревательных элементов (за керамическим муфелем, характеризующимся низкой термостойкостью)), они не могут использоваться для насыщения азотом стальных деталей.

Аммиак готовится к подаче в печь с помощью диссоциатора.

Каталитическое газовое азотирование

Каталитическое газовое азотирование по своей сути представляет собой последнюю модификацию способа насыщения стали азотом, описанного выше. В данном случае также в качестве рабочей среды применяется диссоциированный аммиак. Температурный режим должен составлять 200-400 °С.

Для изменения толщины азотированного слоя используют преимущественно изменение потенциала насыщения. Речь идет об изменении отношений парциальных давлений водорода и аммиака. Необходимая степень диссоциации последнего достигается путем регулировки давления в печи и расхода подаваемого газа.

Преимущество данной технологии заключается в возможности работы с более щадящими температурными режимами, чем при традиционном газовом азотировании стали.

Для католического азотирования подходят камерные либо шахтные ретортные печи, оборудованные  катализаторами (устанавливаются в рабочем пространстве печи вместе с диссоциатором а также кислородными зондами, которые предназначены для определения параметра способности атмосферы к насыщению.

Данная технология насыщения металлоизделий производится в азотосодержащей разряженной воздушной среде с возбуждающимся тлеющим зарядом электричества. Функцию анода в данном случае выполняют стенки нагревательной камеры, а катода – непосредственно сами изделия.  Для изменения структурных характеристик и механических свойств получаемого слоя могут использоваться:

• добавка к азоту особо чистых технологических газов (например, аргона, метана, водорода или кислорода);
• изменение степени разряжения;
• изменение расхода азота;
• изменение плотности тока

Для ионно-плазменного азотирования используются особое оборудование, в котором нагрев и насыщение азотом изделий происходит за счет катодной бомбардировки. На поверхности металла при этом образуются характеризующиеся высокой твердостью слои нитридов.

Аппаратура для выполнения ионно-плазменного азотирования включает в себя следующие составляющие:

• вакуумная камера;
• система водного охлаждения;
• система откачки воздуха;
• система подачи смеси газа;
• системы управления и компьютер;
• соединительные магистрали;
• электрокоммуникации.

Процессы управления установкой осуществляются через контролер и компьютер.

Азотирование из растворов электролитов

Применение анодного электролитного нагрева  — одна из разновидностей скоростной электро-химикотермической обработки стальных изделий.

В основе данного способа обработки лежит принцип применения  импульсных зарядов электричества, проходящих вдоль поверхности погруженного в электролит изделия. Благодаря совместному воздействию на поверхность металлической детали зарядов электричества и химически активной среды, создается эффект полирования.

В данной технологии обрабатываемая деталь является анодом, к которому подводится положительный потенциальный потенциал от источника тока. Площадь катода при этом должна быть не менее, чем в пять раз больше площади анода.

В зависимости от того, какое прикладывается напряжение в процессе прохождения тока через раствор электролита,  вблизи анода могут наблюдаться разные режимы электрических процессов.

Если повысить  ряд критических величин напряжения и плотностей тока, вокруг стального анода образуется газо-плазменное облако, которое начинает оттеснять электролит от металлической поверхности. В результате  образуется многофазная система «металл-плазма-газ-электролит».

Основные преимущества азотирования

Если сравнивать насыщение стали азотом с процедурой цементации, можно выделить целый ряд преимуществ первого метода:

• возможность получения более высокой поверхностной твердости, которая может сохраняться при нагревании до 650 °С (у подвергшихся цементации поверхностей аналогичный показатель составляет от 200 до 250 °С);
• отсутствие необходимости в дополнительной термообработке;
• повышенная износоустойчивость;
• высокая устойчивость против воздействия знакопеременных нагрузок;
• устойчивость к деформации;
• высокое сопротивление коррозии.

Кроме того, азотирование существенно снижает вязкость  стали, сопротивление налипанию металла под нагрузкой и повышает предел выносливости материала. Что касается предела усталости азотированной стали, он тоже существенно увеличивается. Это происходит по причине возникновения сжимающих остаточных напряжений в упрочненном слое.

В промышленности азотирование стали находит самое широкое применение. При этом обработке могут подвергаться разные типы металлов, включая жаропрочные, коррозионностойкие, тугоплавкие, конструкционные и т.д.

Азотированные стали по своим характеристикам весьма существенно превосходят по своим основных характеристикам как закаленные, так и цементированные стали.

Источник: http://www.m-deer.ru/tehnologiya/azotirovanie-stali-i-ego-osobennosti.html

Ионно-плазменное азотирование

Сравнение технологии PulsPlasma® от фирмы PlaTeG GmbH с другими методами упрочнения поверхности

Введение

Для повышения износостойкости высоконагруженных взаимодействующих поверхностей инструмента и деталей коробок передач из стали до сегодняшнего дня наиболее часто используют процесс цементации с последующей закалкой.

В зависимости от способа цементации и эксплуатационных характеристик детали конструктор определяет не только материал, а и такие значения как твердость поверхности и глубина цементации.

Это значит, что зубчатые колеса коробок передач, к примеру для высоконагруженных приводов ветряных электростанций, должны быть науглерожены перед закалкой при температуре свыше 900 ºС в течении довольно длительного времени, чтобы достичь глубины упрочненного слоя около 1..2 мм.

Закалка после цементации ведет к изменению структуры в обрабатываемом материале и, как следствие, к изменению веса и формы. После закалки детали должны быть дополнительно отпущены для снижения внутренних напряжений и получения необходимой структуры. Для достижения требуемого качества поверхности и веса деталей после термообработки необходима дополнительная механическая обработка.

Альтернативой цементации является поверхностное упрочнение методом азотирования. При этом речь идет о термохимическом процессе диффузии для обогащения поверхностного слоя деталей азотом. Азот при этом вступает во взаимодействие с основным металлом и легирующими элементами, образуя химические соединения.

В результате азотирования в поверхностной зоне детали возникает азотированный слой с внешней областью (т.н. связующий слой СС) и внутренней областью диффузии (т.н. зона диффузии ЗД).

Благодаря твердости азотированного слоя и возникающим в нем напряжениям увеличиваются износостойкость, коррозионностойкость и сопротивляемость длительным нагрузкам, вне зависимости от прочностных характеристик детали.

При этом существенным преимуществом азотирования по сравнению с цементацией является то, что для диффузии азота в сталь необходимы температуры, эквивалентные температурам отпуска для улучшаемых и инструментальных сталей. Структурные превращения и связанные с ними коробления, изменение размеров и прочности при азотировании существенно ниже. Кроме того после азотирования, как правило, не требуется дополнительная обработка.

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

PulsPlasma — азотирование

Первое применение азотирования в плазме появилось в 30-х и 40-х годах прошлого столетия. Позже, в 60-70-х годах этот метод развился до индустриальных масштабов. Первые установки азотирования в плазме имели холодные стенки камеры и работали с постоянным током.

Дальнейший толчок в развитии азотирование в плазме получило в середине 80-х годов с появлением т.н. пульсирующего метода. При этом возбуждение плазмы достигается посредством пульсирующего постоянного напряжения. Появление электрической дуги избегается с помощью постоянного прерывания напряжения.

Также необходимо разделять подводимую мощность плазмы и нагрев деталей до температуры обработки. Установки постоянного тока с необходимостью охлаждения стенок камеры для отвода избыточной тепловой энергии (установки с холодными стенками) постепенно теряют актуальность.

Установки с горячими стенками с отдельным нагревом стенок камеры являются сегодня стандартом в плазменном азотировании.

При классических процессах азотирования и карбонитрирования в расплаве солей и газах происходит диссоциация азотосодержащих компонентов и образование азотированного слоя вследствие термохимического процесса в условиях атмосферного давления или небольшого избытка давления.

 Для разложения азотосодержащих компонентов, активации процесса и образовании нитридов необходима энергия термической реакции. Для поддержания процесса азотирования существует минимальная температура, при которой процесс насыщения еще не идет или идет очень медленно, что экономически не выгодно.

Необходимые температуры процессов приведены в таблице 1.

В противоположность названным выше процессам при PulsPlasma® — азотировании необходима энергия возбужденного газа (плазма тлеющего разряда), чтобы активировать необходимую реакцию для образования связующего слоя (СС) и диссоциации молекул азота на атомы.

Азотируемые детали, сформированные в садку, помещаются в нагреваемую вакуумную камеру. После откачки до рабочего давления (50 до 400 Па) между садкой (катод) и стенкой камеры (анод) прикладывают пульсирующее напряжение более сотни вольт, так что находящийся в камере газ ионизируется и становится электропроводным.

В зависимости от величины приложенного напряжения между обрабатываемыми деталями и стенкой камеры зажигается тлеющий разряд, который в зависимости от давления, температуры и газа характеризуется определенным свечением. Активные атомы азота в смеси обрабатывающих газов могут образовывать с атомами железа азотируемой стали химическое соединение.

Кроме того атомы азота диффундируют в зависимости от температуры и времени в глубь стали.

Для PulsPlasma® — азотирования или карбонитрирования применяют смеси азота и водорода и газы с добавками углерода, как, к примеру, метан. В процессе азотирования происходит осаждение на поверхности обрабатываемой детали атомов азота с образованием нитрида железа FexNy – связующего слоя СС.

В зависимости от продолжительности процесса насыщения и температуры атомы азота проникают вглубь приграничной зоны и образуют диффузионный слой (ДС). Этот азот может располагаться как в кристаллической решетке железа, так и содержаться в виде соединений.

Образованные с помощью PulsPlasma® — процесса слои в основном имеют схожее строение со слоями, полученными другими методами азотирования. СС располагается, в зависимости от материала и параметров процесса, в области около 1 – 20 мкм.

Толщина диффузионной зоны, характеризующей толщину упрочненного слоя, может составлять при стандартных условиях азотирования до 0,6 мм.

Азотирование на глубину больше 0,6 мм, к примеру, для высоконагруженных деталей редукторов, возможно в случае подбора подходящего материала.

Преимущества процесса PulsPlasma®

Распределение температуры

Использование камеры с электрически нагреваемыми стенками имеет наряду с энергосберегающим эффектом влияние на распределение температуры по садке деталей.

Для того чтобы избежать существенного превышения температуры в садке при  использовании камеры с холодными стенками, во многих случаях отказываются от использования всего объема. Вместо этого формируют цилиндрические садки в цилиндрической камере.

При использовании установки с горячими стенками благодаря меньшей подведенной энергии с помощью пульсирующей плазмы проводится азотирование полностью скомплектованной садки без опасности перегрева некоторых участков.

Азотирование как плотно упакованной садки, так и очень больших деталей может быть с успехом реализовано с помощью установок для PulsPlasma® — процесса.

Часто PulsPlasma® — установки изготавливаются со встроенной системой автоматизации перемещения камер, в отличие от шахтных и камерных печей.

Садка устанавливается непосредственно на прилагаемое основание с помощью садочного устройства. Рама с деталями может быть при необходимости предварительно подготовлена и уже комплектно с деталями установлена в установку.

В случае особенно большого, тяжелого инструмента или деталей, имеет смысл отказаться от колпакового принципа в пользу установки камерного типа. Такая установка для обработки штампов кузова автомобиля с единичной загрузкой до 40 т показана на рисунке ниже. C помощью крана деталь загружается на тележку, после чего тележка с деталью помещаются в камеру установки.

Расход газа при процессе

При PulsPlasma® — азотировании в зависимости от конкретного случая применения и свойств слоя работают со смесями азот-водород-метан.

В процессе азотирования не возникают неэкологичные продукты реакции, так что использованные газы могут быть удалены в окружающее пространство без дополнительной обработки. Плазменное азотирование проводят при невысоких давлениях, поэтому расход технологических газов достаточно низкий.

Камера с размерами 1200×2000 мм потребляет в среднем 180 л/ч газовой смеси. Установка для газового азотирования с такими же размерами расходует от 6000 до 10000 л/ч аммиака и углеродосодержащей смеси. При классической цементации расход газов аналогично высокий.

 Поэтому при газовом азотировании и цементации образуется большое количество горючего отработанного газа, вредного для окружающей среды и требующего дополнительной энергии для его дополнительного дожигания.

Гибкие температуры обработки

На сновании возбуждения плазмы процесса азотирования и дозировании мощности благодаря пульсирующему принципу действия, возможно, проводить процессы PulsPlasma® — азотирования в широкой температурной области между 350 ºС и 600 º.

Детали, подверженные короблению могут азотироваться в этом случае при оптимальных условиях. Изменение размеров деталей из-за освобождения внутренних напряжений при высоких температурах обработки минимизируется.

Прочность основного металла азотированных деталей также остается неизменной, т.к. температура азотирования определяется несколько ниже температуры отпуска при улучшении (процесс термообработки до азотирования). После азотирования не требуется дополнительная термическая обработка. Детали после PulsPlasma® — азотирования могут сразу использоваться по назначению.

Стали с высоким содержанием хрома, которые могут быть проазотированы в расплаве солей с потерей коррозионностойкости и с помощью газового азотирования с высокими потерями, с помощью PulsPlasma® — азотирования обрабатываются без проблем.

В этом случае непосредственно перед насыщением необходима депассивация поверхности с помощью бомбардировки поверхности ионами.

Благодаря выбору температур азотирования ниже 450 ºС и точному регулированию состава газовой смеси становится возможным получать на поверхности деталей твердый, износостойкий слой без потери коррозионной стойкости.

Обработка порошковых сталей

Обработка деталей из порошка с помощью цементации, карбонитрирования в расплаве солей и газового азотирования из-за ограниченных условий данных процессов оставляет в порошковом материале большее или меньшее количество пор.

 При обработке в плазме фактически обрабатываются только внешние поверхности, охваченные тлеющим разрядом. По причине низких давлений (вакуум) и малого количества газа, в процессе азотирования в плазме нет опасности переазотирования и переотверждения.

При проведении процесса вместе с деталями размещают образец, из того же материала, что и детали в садке, и подверженный той же обработке до азотирования.

Частичная обработка

Нет других более простых методов поверхностного упрочнения, позволяющих проводить частичную обработку, чем PulsPlasma® — азотирование.

Участки, не подвергающиеся насыщению, закрываются простыми механическими средствами. Специальные защитные замазки, которые после процесса необходимо удалять, в данном случае не требуются.

Защищенная поверхность не испытывает на себе никакого влияния в процессе азотирования в плазме.

Комбинация процессов

По причине близких процессов и почти идентичного оборудования, существует возможность комбинировать несколько процессов обработки поверхности в специально предусмотренной для этого установке.

Для дальнейшего улучшения коррозионностойкости азотированных деталей можно простым изменением параметров процесса и технологического газа получить дополнительно к процессу PulsPlasma® — азотирования процесс PulsPlasma® — оксидирования.

Процесс оксидирования способствует формированию слоя оксида железа Fe3O4 толщиной от 1 до 3 мкм на связующем азотированном слое.

В зависимости от качества стали и предшествующего процесса азотирования стойкость к коррозии может достигать до 200 часов в камере солевого тумана по DIN. Еще одним преимуществом оксидирования является улучшение антифрикционных свойств обработанных поверхностей так, что при определенных условиях смазки обработанные подобным способом пары трения могут восстанавливаться.

Источник: https://HeatTreatment.ru/ionno-plazmennoe-azotirovanie.html