Как и с какой целью проводится азотирование стали

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

1 Азотирование стали – суть процесса, механизм формирования защитного слоя

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.

Описываемый процесс в несколько раз более эффективен, нежели цементирование стали.

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.

2 Азотирование металла – технология процесса

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.

3 Различные среды для проведения процесса азотирования стали

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 2019 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.

Существует большое количество различных технологий по коррекции химического состава металла. Они предназначены для улучшения определенных эксплуатационных качеств металла. Сегодня азотирование проводят с целью насыщения поверхностного слоя изделия или заготовки азотом. Азотирование металла в промышленных масштабах стали проводить относительно недавно. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Особенности применяемой технологии

Азотирование — это насыщение поверхностного слоя стали азотом. Эту технологию довольно часто сравнивают с цементированием, но они существенно отличаются, имеют свои определенные достоинства и недостатки.

К особенностям процесса азотирования можно отнести нижеприведенные моменты:

  • Рассматриваемая технология не предусматривает сильное нагревание заготовки или изделия. За счет этого исключается вероятность образования внутренних деформаций, которые в дальнейшем приводят к появлению трещин и других дефектов.
  • Несмотря на то что азотирование не приводит к перестроению кристаллической решетки материала, твердость поверхности существенно возрастает. При этом неважно, какой металл обрабатывается.
  • При азотировании размеры обрабатываемой детали остаются практически неизменными. Этот момент определяет то, что есть возможность провести процесс насыщения структуры поверхностного слоя уже после проведения закалки с отпуском и финишной обработки.
  • После проведения азотирования часто выполняется шлифовка или другая подобная обработка.

Проводится цементация стали 40х или алюминия, других металлов и различных сплавов. О закалке стали 40x в домашних условиях читайте здесь.

Суть азотирования

Азотация проводится в газовой среде, которая наполнена концентрированным аммиаком. За счет насыщения поверхности азотом происходят следующие изменения:

  • Существенно повышается показатель твердости поверхности. Кроме этого, отмечается увеличение износостойкости.
  • Изделие обладает большой устойчивостью к усталостному сопротивлению.
  • За счет коррекции химического состава поверхностного слоя повышается и коррозионная стойкость. Стоит учитывать, что коррозионная стойкость сохраняется при контакте стали или иного сплава, к примеру, 38×2мюа с водой, паровоздушной смесью или с воздухом повышенной влажности. За счет этого существенно расширяется область применения металла.

Цементироваться могут различные металлы и изделия, однако, этот процесс характеризуется тем, что поверхность приобретает твердость неравномерно. Проведенные исследования указывают на то, что после насыщения поверхности азотом показатель прочности увеличивается не менее чем в 1,5 раза.

Технологическая схема процесса

За относительно малый срок изучения процесса насыщения металла азотом было разработано несколько эффективных технологий обработки. При любой термохимической обработке важно соблюдать режим нагрева и охлаждения, выдержки изделия.

Условно весь процесс азотирования делиться на несколько этапов:

  1. Подготовительная термическая обработка. Этот этап заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Зачастую сталь 45 или другой металл нагревается до температуры 940 градусов Цельсия на первичном этапе термической обработки. В последнее время охлаждение изделия проводится исключительно в масле, что позволяет избежать появления различных деформаций. Проводимый отпуск позволяет расширить область применения металла, так как упрощается процесс обработки резанием.
  2. Механический этап обработки представлен шлифованием или чистовым точением, что позволяет придать детали требуемые размеры.
  3. Часто встречается ситуация, когда нужно выполнить термохимическую обработку только определенной части изделия. В этом случае на участки, которые не должны быть подвержены обработке, наносится тонкий слой олова или жидкого стекла. Цементировать также приходится при защите части изделия путем нанесения определенных веществ.
  4. Непосредственное выполнение азотирования проводится в газовой среде. Температура нагрева и другие режимы во много зависят от геометрии обрабатываемой детали и типа металла.
  5. Финишная обработка проводится для того, чтобы довести геометрические размеры и механические качества до нужных значений.

Сегодня довольно часто применяется инновационная технология ионно-плазменного азотирования. Традиционный метод предусматривает нагрев среды до температуры не выше 700 градусов Цельсия. Поэтому подобная технология получила весьма большое распространение, так как может проводиться при использовании относительно недорогостоящего оборудования.

В заключение отметим, что для насыщения поверхностного слоя азотом создается газовая среда, которая состоит из пропана (50%) и аммиака (50%). При применении подобной среды поверхность изделия нагревается до температуры 570 градусов Цельсия. Время выдержки зависит от различных параметров, может составлять несколько часов.

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 2019 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 2019 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.

  • Автор: Николай Иванович Матвеев
  • Распечатать

Оцените статью:

(7 голосов, среднее: 4.3 из 5)

    Азотированием
    называют
    процесс диффузионного насыщения азотом
    поверхностной зоны деталей. Азотирование
    применяют для повышения износостойкости
    и предела выносливости деталей машин
    (коленчатые ва­лы, гильзы цилиндров,
    червяки, валики, шестерни и др.)

    До азотирования
    детали подвергают закалке, высокому
    отпуску (улучшению) и чистовой обработке.
    После азотирования детали шлифуют или
    полируют.

    Обычное
    азотирование проводят при температуре
    500 — 600 °С в му­фелях или контейнерах,
    через которые пропускается диссоциирующий
    аммиак, так же возможно проведения
    азотирования в тлеющем разряде.

    Вероятно, что на
    стальной поверхности происходит реакция
    диссоци­ации аммиака с выделением
    ионов азота, которые адсорбируются
    поверх­ностью детали, а затем
    диффундируют вглубь.

    При нагреве аммиака
    в изолированном объеме возможна лишь
    реак­ция с образованием молекулярного
    азота

    2NH3
    —> N2
    + ЗН2

    который не может
    диффундировать в сталь без ионизации.

    3 Описание структурного превращения происходящего при термической обработке и азотировании

    Формирование
    структуры азотированной зоны в
    углеродистых ста­лях происходит
    примерно так же, как при азотировании
    железа. Поэто­му, пользуясь диаграммой
    состояния Fe
    — N,
    можно предска­зать структуру
    азотированной зоны низкоуглеродистых
    сталей
    . По мере

    насыщения
    железа азотом при температуре ниже 590
    °С снача­ла образуется α-твердый
    раствор внедрения азота в железо, затем
    слой γ-Фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным
    расположением атомов азота в центрах
    элементарных ячеек. Обычно процесс
    азотирования завершается образованием
    на поверхности слоя εфазы
    с ГП решеткой и упорядо­ченным
    расположением атомов в широком интервале
    концентраций азота.

    При
    медленном охлаждении после азотирования
    вследствие пе­ременной растворимости
    азота в α-
    и
    ε- фазах про­исходит выделение
    вторичной γ||-фазы,
    и структура азотированной зоны от
    поверхности к сердцевине становится
    следующей:

    ε +
    γ`||→
    γ`→ α + γ`||→
    α

    При
    азотировании углеродистых сталей с
    увеличением содержания углерода
    уменьшается скорость диффузии азота
    и возможно образования карбонитридных
    фаз.

    Азотированная
    сталь, имеющая на поверхности слой
    ε-фазы,
    коррозионностойка
    в воде и в атмосферных условиях. В
    системе Fe-N
    ε
    и
    γ`-фазы
    имеют сравнительно невысокую твердость—
    соответственно 450 HV
    и 550 HV.
    Значительно большая твердость достигается
    при азотировании специально легированных
    сталей, которые содержат более активные
    нитридообразующие
    элементы: Сr,
    Mo,
    Al,
    V,
    Ti.

    При
    азотировании структуры диффузионной
    зоны легированных и углеродистых сталей
    аналогичны. Однако легирование изменяет
    состав фаз и температурные границы их
    образования; при изотермической выдержке
    в процессе азотирования могут
    образовываться двухфазные слои в
    диффузионной зоне.

    4) Графики термообработки, влияние легирующих элементов на свойства стали

    Высокие
    твердость и износостойкость получаются
    после азотирования легированной стали
    18Х2Н4ВА, содержащей, %: 0.16 — С; 1.4-Сr;
    0.9-W,
    0.3-Cu,
    0.3-Si,
    0.4-Mn,
    4.2-Ni,
    0.025-P,
    0.025-S.

    Влияние некоторых
    основных легирующих элементов на
    свойства сталей.

    1. Никель. Никель
    образует твердые растворы внутри
    легированных сталей, повышается
    прочность стали, ее устойчивость к
    высоким температурам (никель – сильный
    аустенизатор).

    2.
    Вольфрам и молибден. Вольфрам повышает
    твердость и прочность стали
    . Сильно
    карбидообразующий элемент. Основная
    цель введения- уменьшение склонности
    к отпускной хрупкости второго рода ,
    улучшение свойств комплекснолегированных
    сталей в результате измельчения зерна,
    повышение стойкости к отпуску, увеличение
    прокаливаемости.

    3. Марганец. Марганец
    способствует повышению твердости и
    прочности, обеспечивает высокую вязкость
    сталей но он делает структуру стали
    чувствительной к перегреву, поэтому
    для измельчения зерна вместе с марганцем
    вводят карбидообразующие элементы.

    4. Кремний. Кремний
    – ферритизатор – повышает устойчивость
    феррита при высоких температурах.

    5. Хром. Хром –
    растворяясь в феррите и цементите
    оказывает благоприятное влияние на
    механические свойства.

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

    Азотирование стали

    Назначение азотирования

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

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

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

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

    Технология процесса азотирования

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

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

    Цех ионно-вакуумного азотирования

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

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

    Режимы азотирования стали

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

    Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

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

    Микроструктура сталей после азотирования

    Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:

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

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

    Основные виды азотирования

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

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

    Ионное азотирование

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

    Каталитическое газовое азотирование

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

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

    Процесс азотирования стали

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

    Свойства азотированных металлических поверхностей

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

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

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

    Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.