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.
Содержание
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.
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;Технология процесса
Подготовка, насыщение азотом и финишная обработка верхнего слоя стали и сплавов подразумевает несколько ступеней:
- 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;
- Механическая обработка заготовок, которая заканчивается шлифовкой. После этой процедуры деталь достигает нужных размеров;
- 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;
- Азотирование стали по вышеописанной технологии;
- 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.
