Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

Процесс азотирования стали

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

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

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

Антикоррозийные качества сохраняются во влажной среде и при воздействии паром.

Схема процесса азотирования стали

Это интересно: Развальцовка труб: тонкости технологии и основные инструменты

Общие сведения о технологии азотирования

Необходимость применения азотирования обуславливается поддержанием характеристик, позволяющих наделять изделия высококачественными свойствами. Основная доля техник азотирования выполняется в соответствии с требованиями к термическим способам обработки деталей. В частности, распространена технология шлифования, благодаря которой специалисты могут точнее корректировать параметры металла. Кроме этого, допускается защита участков, которые не подлежат азотированию. В данном случае может применяться покрытие тонкими слоями олова посредством гальванической методики. По сравнению с более глубокими методами структурного улучшения характеристик металла, азотирование – это насыщение поверхностного слоя стали, которое в меньшей степени влияет на структуру заготовок. То есть основные качества металлических элементов, связанные с внутренними характеристиками, не учитываются при азотированных улучшениях.

Марки стали для азотирования

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

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

Разновидности обрабатываемой стали

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

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

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

Рекомендуемые марки

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

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

Особенности технологии

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

Какие факторы влияют на азотирование

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

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

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

Варианты сред для обработки

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

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

Как протекает процесс

Провести подобную процедуру обработки металла в домашних условиях практически невозможно. Для этого требуется использовать промышленное оборудование и рабочие смеси газов. Обработка проходит в несколько этапов:

1. Процесс проведения азотирования начинается после шлифовки заготовки и доведения её до конечных габаритов.
2. Далее места, которые не требуется насыщать азотом, защищаются от его воздействия. Защитный слой получается из жидкого стекла или олова, которое наносится на поверхность заготовки в процессе электролиза.
3. Проводится азотирование металла.

Последним этапом является финишная обработка детали. Это может быть дополнительная шлифовка или полировка.
При необходимости улучшить характеристики стальной поверхности применяются методы цементации и азотирования. Второй вариант считается более эффективным. Существует несколько вариантов насыщения металла азотом, при которых используется разное оборудование и рабочие среды.

Разновидности азотирования и используемое оборудование

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

Изделие после обработки

Газовое

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

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

Каталитическое газовое

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

Оборудование для разогрева представляет собой комплекс элементов:

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

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

Азотирование с применением растворов электролита

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

Азотирование электролитом

Виды стали, подходящие для азотизации

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

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

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

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

Как маркируют сталь, наиболее подходящую для азотирования:

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

Это интересно: Делаем контактную сварку из микроволновки своими руками

Варианты сред для обработки

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

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

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

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

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

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

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

Преимущества технологии

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

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

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются. Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров. После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Схема установки азотирования в тлеющем разряде

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

• За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
• Возрастает усталостная прочность изделия.
• Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации. Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Что представляет собой азотация

Азотирование стальных сплавов очень часто сравнивают с цементацией. Несмотря на то, что результат чем-то схож, у азотации больше плюсов. Азотирование стали в данный момент применяется как основной способ для повышения устойчивости металла к различным факторам.

Во время азотирования стальные элементы не подвергаются существенному нагреванию, но во время этого поверхностный слой становится значительно тверже. Данные свойства технологии позволяют применять её при обработке деталей, прошедших закалку и уже отшлифованных. Также азотирование ещё называют азотацией, что никак не влияет на итог процедуры. После азотации стальные детали можно полировать или обрабатывать другими способами.

Установки для азотирования бывают разных размеров в зависимости от производства. Схема установки для азотации состоит из следующих частей:

• источника питания;
• навески с деталями;
• вакуумной камеры;
• ротаметра;
• фильтров;
• газовых баллонов;
• форвакуумного насоса.

Все элементы установки рассчитаны на длительную эксплуатацию.

Суть процесса состоит в том, что сталь нагревается в среде аммиачных материалов. Благодаря обработке в данной среде металл имеет следующие изменения:

• так как твердостные данные поверхностного слоя изменяется, то улучшаются показатели износостойкости стальной детали;
• отмечается рост усталостной прочности элементов;
• поверхность становится стойкой к появлению ржавчины и эффект сохраняется при непосредственном контакте элементов с жидкостями, парами либо влажным воздухом.

Азотация является единственным оптимальным способом, который позволяет добиться стабильных показателей твёрдости стали. В отличие от элементов, которые подвергались цементации, азотированные детали сохраняют свои параметры твердости при температуре 550-600 градусов. После азотации прочность металла повышается в полтора-два раза по сравнению с закалкой либо цементацией.

Основные виды азотирования

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

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

Ионное азотирование

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

Упрочняющее азотирование

Азотирование стали

Насыщение стали азотом называется азотированием. Азотирование также, как и цементация является методом поверхностного упрочнения стали. Однако по сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ:

1. более высокая поверхностная твердость, которая сохраняется при нагреве до высоких температур (600-650°С ), тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется только до 200-250 °С ;

2. большая устойчивость против износа, действия знакопеременных нагрузок;

3. сопротивление коррозии в атмосфере, в воде, паре;

4. меньшая деформация и коробление;

5. не требует последующей термической обработки;

Недостатком азотирования является значительно большая продолжительность процесса, т.к. оно проводится в основном для легированных сталей и при более низких температурах по сравнению с цементацией. Азотирование широко применяется для шестерен, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков, втулок насосов и др. Азотирование чаще всего проводят в атмосфере аммиака NH4, который при повышенных температурах диссоциирует

2 NH3→ 2N (атом) + 6Н

с образованием активных атомов азота. Атомы азота адсорбируются поверхностью стали диффундируют в глубь, образуя железистоазотистые фазы.

В системе Fe — N возможно образование следующих фаз:

→- азотистый феррит 0,42 %N при 590° и 0.01%N при 20° ;

→- азотистый аустенит существует при t > 590 ° ;

→ — нитрид Fe4 N, содержащий 5,7%N;

→ — нитрид Fe2 N, содержащий от 8,1 до 11,1% N.

Если проводить азотирование при t1 < 5900 С, то в поверхностном слое будут образовываться фазы, соответствующие диаграмме Fe-N.

Основные цели азотирования:

1. повышение твердости, износостойкости поверхности;

2. повышение усталостной прочности;

3. повышение сопротивления коррозии.

От цели азотирования зависит выбор режима процесса, а от последнего глубина и состав азотированного слоя. Различают упрочняющее азотирование и антикоррозионное.

При насыщении железа азотом не наблюдается повышение твердости; поэтому чистое железо не подвергают азотированию. При насыщении азотом стали на поверхности образуется карбонитридные фазы Fe4 (N,C), Fe3 (N,C) и Fe2 (N,C). Азот образует нитриды со многими легирующими элементами (Мn, Сг, Ti, A1, V, Мо, Zr и др.) Дисперсные твердые нитриды легирующих элементов (VN, Cr2N и др.) препятствуют движению дислокации и тем самым повышают твердость и прочность азотированного слоя (рис.81).

При низких температурах азотирования в твердом растворе образуется сегрегация азота, при более высокой температуре дисперсные нитриды. Наиболее сильно упрочняют при азотировании нитриды A1, Сг, Мо, V (рис.81а). Упрочняющему азотированию подвергают сталь со средним содержанием углерода 0,25-0,4% С. Наибольшее упрочнение вызывает азотирование сталей, легированных Сг, A1, Ti, Мо, и др.

Если от азотированного слоя требуется высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь типа нитралоя, легированные молибденом и алюминием.

Технологический процесс изготовления детали из стали типа нитралой предусматривает:

1.Предварительную термическую обработку (улучшение) для повышения прочности и вязкости сердцевины деталей: 1зак. = 900-950°С охлаждение в масле, высокий отпуск при t = 600-675°С, превышающий температуру азотирования;

2.Механическую обработку деталей, вплоть до шлифования;

3.Защиту от азотирования отдельных частей детали, не подлежащих азотированию, оловом (0,01 -0,015мм) или жидким стеклом;

4. Азотирование при t = 500-520°С, время выдержки для получения ? = 0,3-0.6мм от 24 до 90 часов;

5. Окончательное шлифование.

Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя, что вызвано коагуляцией нитридов легирующих элементов.

Для ускорения процесса азотирования проводят ступенчатое азотирование: 1-я стадия при t = 500-520°С, 2-я стадия при 540-600°С. Повышение температуры азотирования вызывает увеличение деформации, без существенного понижения твердости, значительно (в 2-3 раза) сокращается общее время при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), увеличивается в 1,5 раза скорость азотирования под влиянием ультразвука.

Азотирование стали

Насыщение стали азотом называется азотированием. Азотирование также, как и цементация является методом поверхностного упрочнения стали. Однако по сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ:

1. более высокая поверхностная твердость, которая сохраняется при нагреве до высоких температур (600-650°С ), тогда как твердость цементованного слоя с мартенситной структурой сохраняется только до 200-250 °С ;

2. большая устойчивость против износа, действия знакопеременных нагрузок;

3. сопротивление коррозии в атмосфере, в воде, паре;

4. меньшая деформация и коробление;

5. не требует последующей термической обработки;

Недостатком азотирования является значительно большая продолжительность процесса, т.к. оно проводится в основном для легированных сталей и при более низких температурах по сравнению с цементацией. Азотирование широко применяется для шестерен, цилиндров мощных двигателей, многих деталей станков, втулок насосов и др. Азотирование чаще всего проводят в атмосфере аммиака NH4, который при повышенных температурах диссоциирует

2 NH3→ 2N (атом) + 6Н

с образованием активных атомов азота. Атомы азота адсорбируются поверхностью стали диффундируют в глубь, образуя железистоазотистые фазы.

В системе Fe — N возможно образование следующих фаз:

→- азотистый феррит 0,42 %N при 590° и 0.01%N при 20° ;

→- азотистый аустенит существует при t > 590 ° ;

→ — нитрид Fe4 N, содержащий 5,7%N;

→ — нитрид Fe2 N, содержащий от 8,1 до 11,1% N.

Если проводить азотирование при t1 < 5900 С, то в поверхностном слое будут образовываться фазы, соответствующие диаграмме Fe-N.

Основные цели азотирования:

1. повышение твердости, износостойкости поверхности;

2. повышение усталостной прочности;

3. повышение сопротивления коррозии.

От цели азотирования зависит выбор режима процесса, а от последнего глубина и состав азотированного слоя. Различают упрочняющее азотирование и антикоррозионное.

При насыщении железа азотом не наблюдается повышение твердости; поэтому чистое железо не подвергают азотированию. При насыщении азотом стали на поверхности образуется карбонитридные фазы Fe4 (N,C), Fe3 (N,C) и Fe2 (N,C). Азот образует нитриды со многими легирующими элементами (Мn, Сг, Ti, A1, V, Мо, Zr и др.) Дисперсные твердые нитриды легирующих элементов (VN, Cr2N и др.) препятствуют движению дислокации и тем самым повышают твердость и прочность азотированного слоя (рис.81).

При низких температурах азотирования в твердом растворе образуется сегрегация азота, при более высокой температуре дисперсные нитриды. Наиболее сильно упрочняют при азотировании нитриды A1, Сг, Мо, V (рис.81а). Упрочняющему азотированию подвергают сталь со средним содержанием углерода 0,25-0,4% С. Наибольшее упрочнение вызывает азотирование сталей, легированных Сг, A1, Ti, Мо, и др.

Если от азотированного слоя требуется высокая твердость и износостойкость, то применяют сталь типа нитралоя, легированные молибденом и алюминием.

Технологический процесс изготовления детали из стали типа нитралой предусматривает:

1.Предварительную термическую обработку (улучшение) для повышения прочности и вязкости сердцевины деталей: 1зак. = 900-950°С охлаждение в масле, высокий отпуск при t = 600-675°С, превышающий температуру азотирования;

2.Механическую обработку деталей, вплоть до шлифования;

3.Защиту от азотирования отдельных частей детали, не подлежащих азотированию, оловом (0,01 -0,015мм) или жидким стеклом;

4. Азотирование при t = 500-520°С, время выдержки для получения ? = 0,3-0.6мм от 24 до 90 часов;

5. Окончательное шлифование.

Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя, что вызвано коагуляцией нитридов легирующих элементов.

Для ускорения процесса азотирования проводят ступенчатое азотирование: 1-я стадия при t = 500-520°С, 2-я стадия при 540-600°С. Повышение температуры азотирования вызывает увеличение деформации, без существенного понижения твердости, значительно (в 2-3 раза) сокращается общее время при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), увеличивается в 1,5 раза скорость азотирования под влиянием ультразвука.

Каталитическое газовое азотирование

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

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

Процесс азотирования стали

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

Свойства азотированных металлических поверхностей

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

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

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

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.

Область применения азотации стали

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

Машиностроительные стали

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

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

Видео по теме: Химико-термическая обработка стали

Обработка растворами из электролитов

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

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

• температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
• давление газа, подаваемого в муфель;
• продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%. При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза. Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Факторы, влияющие на азотирование

Основными параметрами, оказывающими существенное влияние на процесс азотации выступают:

• температура;
• давление газа;
• длительность выдержки.

Данные факторы являются основными параметрами, которые влияют на процесс азотирования, но также имеются и другие показатели. Например, степень диссоциации аммиачных компонентов. Обычно она находится в пределах 15-45%. При увеличении температуры в среде газовой обработки твердость может существенно снизится, но в отличие от этого диффузионные процессы азотистых составляющих ускоряются. Такие параметры обуславливаются коагуляцией нитридов легирующих компонентов, которые отмечаются в составе металла. Данные параметры обеспечивают возможность сокращения процессов обработки в несколько раз.

При необходимости ускорить процесс азотации и повысить его эффективность используют двухэтапную схему обработки металла. Такая схема подразумевает в виде первого этапа обработку металлических сплавов при температуре, которая не превышает 525 градусов. Благодаря использованию именно этой температуры стальной детали придаются высокие показатели твердости. Во второй части процесса азотирования деталь нагревается до 600-620 градусов. При таких параметрах температурного режима процесс азотирования существенно ускоряется, а глубина достигает необходимых показателей. Прочностные данные поверхностного слоя по двухступенчатой технологии не уступают соответствующим изделиям, прошедшим азотирование в одну ступень.

Классификация процессов азотирования

Процессы азотирования

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

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

Газовая азотизация

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

Газовое азотирование

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

Несколько убыстрить процесс способно применение жидкой среды для азотирования.

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

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

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

Конструктивные особенности газового азотирования

Термохимический процесс

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

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

Главными факторами, влияющими на азотирование, считаются:

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

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

Общая технология для всех видов азотирования

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

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

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

Технология процесса азотирования

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

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

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

ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ АЗОТИРОВАНИЕ (ИПА)

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) – это, пожалуй, один из передовых методов упрочнения деталей из чугуна, углеродистых, легированных и инструментальных сталей, сплавов из титана, металлокерамики, а также порошковых материалов. Использование различных газовых сфер, влияющих, в зависимости от их состава, на свойства обрабатываемой поверхности, позволяет достичь высокой эффективности данной технологии. ИПА активно используется для машиностроения, авиационной и автомобильной промышленности, производстве, связанном с высокой точностью, в топливно-энергетическом, нефтегазовом, горнодобывающем производстве, поскольку данная технология прекрасно зарекомендовала себя при обработке деталей, работающих в агрессивных средах, которые подвержены трению и химической коррозии.

Обработка методом ИПА повышает характеристики поверхностей деталей, увеличивает эксплуатационную надежность, в частности, усиливает контактную прочность, сопротивляемость к образованию микротрещин, повышает стойкость к коррозии и контактную прочность.

Преимущества ионно-плазменного азотирования

Основные экономические и технологические преимущества ионно-плазменного азотирования заключаются в низком потреблении энергии, повышении производительности и увеличении срока службы детали в несколько раз.

Сам процесс ИПА насыщает поверхностный слой детали азотом или смесью азота и углерода. Это способствует образованию на поверхности равномерного высококачественного покрытия с определенной структурой и составом.

Процесс обработки изделия сокращается в 3-5 раз, а титановых сплавов в 5-10 раз. При помощи технологии ионно-плазменного анодирования можно обрабатывать детали как с глухими. Так и сквозными отверстиями. Благодаря режиму низких температур охлаждение можно проводить с любой скоростью, что исключает возникновение мартенсита, структурных превращений стали, уменьшает возможность появления повреждений и усталостных разрушений. Если необходимо упрочнить и повысить рабочие характеристики без изменения твердости в сердцевине деталей из инструментальных легированных, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, процесс ИПА производится при температурах ниже 500С.

Технология ионно-плазменного азотирования отлично подходит для финишной обработки поверхности, поскольку сохраняет первоначальную шероховатость в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, не искривляет и не деформирует деталь. Кроме того, применение метода ИПА безвредно для экологии. Технология процесса

Технологический процесс ионно-плазменного азотирования производится в условиях разряженного атмосферного давления (0,5 – 10 мбар). В зависимости от сплава, из которого изготовлена деталь, в камеру подается либо смесь азота с водородом – для обработки сталей, чугуна, либо азот – для титановых сплавов. Между изделием, находящимся в обработке, и стенками камеры образуется тлеющий заряд, который, в свою очередь, способствует образованию плазмы, в результате чего создается рабочая среда с заряженными ионами, молекулами и атомами, что и формирует на поверхности тончайшую азотную пленку.

Состав рабочей газовой среды, ее температура и длительность протекания процесса ИПА оказывают влияние на итоговый результат, и, в то же время зависят от состава обрабатываемой детали.

Методом ионного азотирования проходят обработку детали со сложным контуром и труднодоступными поверхностями любых размеров и форм, например, шестерни, матрицы, пресс-формы, зубчатые венцы, инструмент для бурения и резки, валы и т.д. Для некоторых деталей метод ИПА является единственной технологией, позволяющей минимизировать брак.

Свойства изделий после упрочнения методом ИПА

При помощи обработки методом ИПА упрочняются инструменты и детали почти всех промышленных отраслей.

За счет того, что азотистая поверхностная пленка не позволяет жидкому металлу прилипать в зоне его подачи, обеспечивается высококачественная отливка пресс-форм, что значительно продляет срок службы детали. Также в несколько раз увеличивается стойкость режущего и штампового инструмента различных марок сталей. Это происходит за счет того, что азотная пленка на поверхности инструмента снижает коэффициент трения и исключает налипание стружки на режущий край. Тем самым скорость резания может быть значительно увеличена.

Предприятие «Ионмет» производит ионное азотирование сталей, инструмента, изделий, валов и различной поверхности. Режим обработки подбирается исходя из тех технических характеристик, которые требуется достичь в итоге. Упрочнение поверхностного слоя увеличивает стойкость к коррозии и износу.

У специалистов вы можете уточнить перечень деталей для упрочнения с целью обработки. Наши эксперты помогут вам выяснить, можно ли методом азотирования обработать ваши крупногабаритные детали со сложным контуром. Чтобы точно определить технические условия обработки ИПА и начать сотрудничество, отправляйте нам на почту чертеж с указанием марки стали и технологию изготовления детали.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и легированные стали, характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%. Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками. Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Твердость сталей после азотирования

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей.

38Х2МЮА

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности. Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности. Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

40Х, 40ХФА

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

30Х3МФ1

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Характеристики некоторых сталей после азотирования

Какие металлы подлежат азотированию

Азотации подвергают стали с содержанием углерода не более 0,3-0,5%; они могут быть даже легированными, но концентрация С в любом случае не должна превышать установленные пределы. В списке основных марок:

• 38Х2МЮА – приобретают прочность и особенную сопротивляемость износу;
• 38ХГМ, 30ХЗМ, 38ХНЗМА, 38ХНМФА – становятся упругими, что позволяет им выдерживать более серьезные нагрузки на изгиб и скручивание;
• 40Х, 40ХФА – медленнее стареют, даже под воздействием циклических давлений;
• 30ХЗМФ1 – не теряют при укреплении своих линейных размеров, к точности которых предъявляются особенно строгие требования.

В современной промышленности востребована не только азотированная сталь, но и титан, хром, алюминий, молибден – эти и другие металлы также обрабатывают газовым или термохимическим методом. О сплавах тоже не забывают – упрочнение позволяет избавиться от недостатков самых слабых его включений, например, нормализовать деформационную стойкость, которую снижает Al, или сохранить нужную геометрию и формы сложных заготовок (что также достигается предварительным легированием кремнием). Главное – правильно учесть концентрацию примесей и выбрать технологию, оптимально подходящую для случая и улучшающую, а не ухудшающую эксплуатационные характеристики конкретно взятого материала.

Типы сред при азотировании

Процесс азотирования стали в реальности проводят не по одной, а по нескольким технологиям, отсюда разнообразие видов азотирования. Это связано с тем, что для одних типов металлов более эффективно усваивается азот в одной среде, для других – в другой. Но это не главное. Среда позволяет получить определенное качество поверхности либо изменить скоростной режим выполнения операции по азотированию стали. Наиболее распространенные технологии, которые используются на предприятиях:

• диффузия азота в среде газовой на основе пропана с аммиаком;
• диффузия азота при использовании разряда тлеющего;
• диффузия азотная в среде жидкого характера.

Аммиачно-пропановая среда

Азотирование в газе из смеси пропана с аммиаком сейчас наиболее применимый способ укрепления поверхности стали. Соотношение компонентов смеси берется равнозначным, температуру по шкале Цельсия догоняют до 570 градусов выше нуля, обработку проводят на протяжении трех часов.

Полученный поверхностный слой можно охарактеризовать как высокопрочную твердую поверхность с отличной износостойкостью, и это несмотря на маленькую толщину нитридов. В численных единицах твердость изделия возрастает до показателей 1100–600 HV.

Тлеющий разряд

Другими словами, тлеющий разряд – это среда разряженного состояния при ионно-плазменном азотировании. Очень распространенный метод насыщения азотом поверхности стальных изделий. Особенностью этого метода является то, что, кроме помещения заготовки в печь муфельную, где происходит нагнетание температуры, к этой заготовке подключают электрический контакт с отрицательным потенциалом (то есть получается отрицательный электрод), положительным же электродом выступает сама печь муфельная.

Ионное азотирование создает ионный поток между печью и изделием, который приобретает вид плазмы, и состоит она из элементов NH₃ или N₂. Таким образом, в поверхностный слой начинают диффундировать азотные молекулы, эффективно насыщая его.

Плазменное азотирование проходит в два этапа:

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

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

Типы сред для проведения процедуры

Каждый материал требует своих условий для наиболее эффективного усваивания нитридов. От параметров окружения также зависит качество итоговой поверхности и специфика скоростного режима реализации операции. Поэтому выделили 3 их вида – рассмотрим каждый из них.

Аммиачно-пропановая

Считается наиболее часто используемой, для нее характерны следующие особенности:

• компоненты для смеси берутся в равных пропорциях,
• рабочая температура достигает 570 0С,
• выдержка заготовок осуществляется в течение 3 часов.

Итоговое упрочнение характеризуется высокой прочностью и замечательной износостойкостью. Твердость при азотировании достигает 600-1100 НВ, и это при сравнительно малой толщине покрытия.

Тлеющий разряд

Здесь среда находится в разреженном состоянии. И будущие изделия не просто помещают в печь, а подключают к ним отрицательно заряженный контакт. Другим электродом, положительным, является сама печь.

В результате между муфелем и деталями пробегает ионный поток, который становится плазмой, состоящей из нитридов, под воздействием температуры диффундирующих в материал и насыщающих его.

Процедура осуществляется в 2 этапа:

1. на рабочие плоскости распыляется катод – для их очищения;
2. выполняется непосредственно укрепление – с учетом описанных выше особенностей.

Способ хорош быстротой реализации и тем, что подходит для сплавов.

Жидкая

Также есть случаи применения азотирования в растворах цианистых солей – их компоненты в результате смешения частиц под нагревом тоже достаточно эффективно проникают в толщу металла. Но они сравнительно редки – метод используется редко, ведь он дорогостоящ и, главное, опасен для здоровья – вдыхать пары запрещено. Хотя он производителен и не предполагает жестких требований: так, температура должна достигать 570 0С (добиться ее не проблема), а время выдержки – составлять 2,5-3 часа, что вполне оперативно. Отсюда вывод: на конечный выбор среды влияет не только специфика усвоения нитридов конкретным материалом, но и сопутствующие условия проведения процедуры.