При азотировании стали металл нагревается в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки в насыщенном азотом поверхностном слое металла происходят следующие изменения.
Азотирование стали
Улучшение свойств металла может быть достигнуто путем изменения его химического состава. Примером может служить азотирование стали — относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, появившаяся на рынке около века назад.
Эта технология была предложена для улучшения некоторых свойств стальных изделий. Давайте немного подробнее рассмотрим способ насыщения стали азотом.
Назначение азотирования
Многие сравнивают цементацию и азотирование, поскольку оба процесса направлены на значительное улучшение эксплуатационных характеристик деталей. Технология азотирования имеет множество преимуществ перед науглероживанием, в том числе и то, что нет необходимости повышать температуру детали в месте сцепления атомной решетки. Также стоит отметить тот факт, что при азотировании линейные размеры детали практически не изменяются, поэтому его можно использовать после финишной обработки. На многих производственных линиях азотируются закаленные и шлифованные детали, которые почти готовы к производству, но в которых необходимо улучшить определенные свойства.
Целью азотирования является изменение основных эксплуатационных характеристик детали при нагреве в среде с высокой концентрацией аммиака. В результате такой обработки поверхностный слой насыщается азотом и деталь приобретает следующие эксплуатационные характеристики:
- Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
- Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
- Во многих производствах применение азотирования связано с необходимостью придания антикоррозионной стойкости, которая сохраняется при контакте с водой, паром или воздухом с повышенной влажностью.
Из вышесказанного ясно, что эффекты азотирования более значительны, чем эффекты цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии. В большинстве случаев, даже если заготовка нагрета до 600 градусов Цельсия, поверхностный слой теряет свою твердость и прочность при нагреве до 225 градусов Цельсия во время цементации.
Технология процесса азотирования
Во многих отношениях азотирование стали превосходит другие процессы изменения химического состава металла. Технология азотирования стальных деталей имеет следующие особенности:
- В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
- 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.
- 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.
- Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
- 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.
Классический процесс получения желаемого продукта путем азотирования включает в себя несколько этапов:
- 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.
- Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
- 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.
- Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
- Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.
Слой, получаемый после азотирования, представленный нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, поэтому процесс закалки не требуется. Как уже упоминалось выше, азотирование используется лишь сравнительно недавно, однако процесс преобразования поверхностного слоя металла уже практически полностью изучен, что позволило значительно повысить эффективность используемой технологии.
Что это такое и зачем нужно?
Азотирование сталей — это промышленный термохимический процесс. Его суть заключается в насыщении поверхностного слоя стали азотом. Основными целями являются повышение твердости, износостойкости и инертности к ржавчине. Азотирование также снижает коэффициент трения поверхностей. В промышленных масштабах этот метод стал применяться совсем недавно. Хотя оно похоже на цементацию, его эффективность в два раза выше.
Азотирование осуществляется путем осторожного нагрева стальных изделий. Параметры остаются неизменными. Поэтому этот метод подходит для изделий, которые были закалены и отшлифованы до чрезвычайно точной геометрии. Затем азотированная сталь полируется или подвергается другим процессам отделки. Суть азотирования заключается в нагреве стали в насыщенной атмосфере аммиака. Помимо улучшения износостойкости, повышаются и прочностные характеристики стали. Она становится устойчивой к воздействию воды, влаги и пара. Азотирование стабилизирует показатели твердости стали.
После процесса заготовка, нагретая до экстремальной температуры, не меняет своих свойств. Атомы азота преобразуются в кристаллическую решетку.
Как происходит процесс?
Процесс насыщения поверхностного слоя происходит в специальных герметичных камерах. Используемые муфельные печи оснащены герметично закрывающимися дверцами. В них можно создать температуру между 500 и 600 градусами Цельсия. После достижения нужной температуры она поддерживается в течение определенного времени. Металл сначала закаляется, а затем затвердевает. Он становится пригодным для резки, обработки и выравнивания геометрии. Затем детали подвергаются следующему виду термообработки. В камеру оборудования под давлением вводится аммиак. Под воздействием высокой температуры аммиак разлагается на 2N и 6H.
После высвобождения атомов происходит процесс диффузии и образуются нитриды. В процессе нанесения покрытия металл затвердевает. Постепенное охлаждение камеры служит для затвердевания результата. Это необходимо для предотвращения дальнейшего окисления металла. Полученная азотированная сталь может иметь глубину нитридного слоя от 0,3 до 0,6 мм. Эти значения являются нормой, в этом случае дальнейшая обработка не требуется.
В редких случаях азотирование занимает несколько дней. Для закалки требуется специальное оборудование, поэтому закалка стали в домашних условиях невозможна. Недостатком является высокая стоимость изделий. Металл, используемый для этого процесса, очень дорогой. Цена таких изделий намного выше, чем обычных. Во время обработки некоторые части изделий покрываются защитным слоем. Это делается для тех частей подложки, которые не нужно обрабатывать. Для защиты их покрывают оловом или жидким стеклом. Под этот слой не проникает азот. На следующем этапе сталь подвергается резке и закалке, после чего следует окончательная обработка (шлифование).
Виды
Существует три типа азотирования. Они различаются по методу удаления азота, температуре и среде. Однако все они следуют принципу диффузии. Появление этих различных методов связано с необходимостью ускорить процесс, повысить эффективность и улучшить качество продукции. В ходе развития технологий сегодня используются, например, принцип плазменной нитрификации (ионная плазма) и метод раствора электролита.
Последний, по сути, основан на нагреве с анодным электролитом. В высокоскоростном процессе заготовка подвергается воздействию импульсных электрических зарядов, которые пронизывают все изделие. Плазменное азотирование так востребовано потому, что при этом не используется аммиак. Кроме того, процесс осуществляется при более низкой температуре. Это исключает возможность малейшего изменения первоначальной геометрии детали.
В результате детали доводятся до нужного размера без необходимости повторной обработки. Это позволяет снизить затраты на насыщение металла.
Газовое
Каталитическое газовое азотирование создает атмосферу, в которой аммиак обрабатывается в каталитическом элементе. Этот метод требует использования сложного оборудования (колодцы, ретортные печи и камеры). Выделение большого объема ионизированных радикалов приводит к усилению диффузии твердых частиц и растворителей. Это приводит к ускоренному проникновению азота в структуру стали.
По сравнению с другими технологиями производства этот процесс является более дорогостоящим. Однако благодаря такому насыщению можно достичь максимальной износостойкости. Газовое азотирование происходит в технологической среде, в которой аммиак смешивается с пропаном или эндогазом. Процесс азотирования занимает около 3 часов, в течение которых достигается наилучшая защита. Процесс осуществляется при различных температурах. Для изменения структуры используется воздух, растворенные аммиак и водород разбавляются.
Термохимическое
При химико-термической обработке металла используется только газообразный аммиак. Его вводят из баллона в плотно закрытый ящик, в который помещают детали, подлежащие азотированию. Коробка помещается в печь, где нагревается до определенной температуры. Под воздействием горячего воздуха аммиак распадается на азот и другие элементы.
Азот проникает в поверхностный слой стали. Глубина проникновения зависит от времени обработки; чем дольше время обработки, тем глубже проникает азот. С помощью этой техники можно получить упрочненный слой толщиной 0,6 мм. Этот метод считается модифицированным методом, который является более щадящим по сравнению с газовым методом. Результат зависит от предварительной обработки и термических процессов.
Температура выбирается в зависимости от химического состава металла, параметров твердости подложки, жесткости конструкции и допустимых значений деформации.
Как протекает процесс азотирования
Металлические детали помещаются в герметичную оболочку, которая затем помещается в печь для азотирования. В печи оболочка с деталью нагревается до температуры, обычно составляющей 500-600 °C, и затем выдерживается при этой температуре в течение определенного времени.
Вакуумная печь для термообработки с системой газового азотирования
Для создания рабочей среды, необходимой для азотирования, в оболочку под давлением впрыскивается аммиак. Когда аммиак нагревается, он начинает распадаться на свои компоненты. Этот процесс описывается следующей химической формулой:
Атомы азота, которые увеличиваются в ходе этой реакции, начинают диффундировать в металл. Это приводит к образованию высокотвердых нитридов на поверхности заготовки. Чтобы закрепить результат и предотвратить окисление поверхности заготовки, мантию медленно охлаждают вместе с заготовкой и оставшимся на ней аммиаком вместе с печью для азотирования.
Нитридный слой, образующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину 0,3-0,6 мм. Этого достаточно для придания изделию требуемых прочностных свойств. Сталь, подвергнутую азотированию, можно не обрабатывать.
Классификация процессов азотирования
Процессы, происходящие в поверхностном слое стального изделия при азотировании, сложны, но хорошо изучены специалистами в области металлургии. В результате этих процессов в структуре обработанного металла образуются следующие фазы.
- твердый раствор Fe3N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
- твердый раствор Fe4N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
- раствор азота, формирующийся в α-железе.
Дополнительная а-фаза образуется в структуре металла, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения этой фазы азотом достигает максимума, в структуре металла образуется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит, когда степень насыщения азотом достигает значения 2,35 %.
Клапаны в современных двигателях внутреннего сгорания неизбежно подвергаются азотированию
Факторы, оказывающие влияние на азотацию
Наиболее важными факторами, влияющими на азотирование, являются следующие:
- температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
- давление газа, подаваемого в муфель;
- продолжительность выдержки детали в печи.
Степень разложения аммиака, которая обычно составляет от 15 до 45 %, также влияет на эффективность этого процесса. При повышении температуры во время азотирования твердость образующегося слоя уменьшается, но ускоряется процесс диффузии азота в структуру металла. Снижение твердости поверхностного слоя металла при азотировании обусловлено коагуляцией нитридов легирующих элементов, содержащихся в его составе.
Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя
Двухстадийный процесс азотирования дает возможность ускорить процесс азотирования и повысить его эффективность. Первая стадия азотирования по такой схеме проводится при температуре не выше 525°. Это позволяет достичь высокой твердости в поверхностном слое стали. На втором этапе заготовку нагревают до температуры 600-620°, когда азотированный слой достигнет необходимой глубины, а сам процесс ускоряется почти в два раза. Твердость поверхностного слоя стальных изделий, обработанных этим процессом, не ниже, чем у изделий, обработанных одностадийным процессом.
Типы азотируемых сталей
Азотирование может применяться к углеродистым сталям, а также к легированным сталям с содержанием углерода 0,3-0,5%. Максимальный эффект от этого процесса достигается, когда азотируемые стали содержат в своем химическом составе легирующие элементы, образующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы с аналогичными свойствами. Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как температурная хрупкость, которая возникает при медленном охлаждении стального изделия. Твердость различных типов стали после азотирования выглядит следующим образом.
Твердость сталей после азотирования
Легирующие элементы в химическом составе стали повышают твердость азотированного слоя, но при этом уменьшают его толщину. Химические элементы, которые больше всего влияют на толщину азотированного слоя, — это вольфрам, молибден, хром и никель.
В зависимости от назначения азотируемого изделия и условий его эксплуатации, для этого процесса целесообразно использовать определенные виды стали. Например, в зависимости от технологического применения специалисты советуют азотировать следующие виды стали.
Это сталь, которая характеризуется высокой твердостью внешней поверхности после азотирования. Алюминий в химическом составе этой стали снижает сопротивление деформации, но повышает твердость и износостойкость внешней поверхности. Исключение алюминия из химического состава стали позволяет изготавливать более сложные детали.
Эти легированные стали используются для изготовления деталей для производства станков.
30XX3M, 38XXGM, 38XXNMFA И 38XXN3MA.
Эти стали используются для деталей, которые в течение срока службы подвергаются высоким циклическим нагрузкам на изгиб.
Эта легированная сталь используется для изготовления изделий с высокими требованиями к точности геометрических параметров. В химический состав этой стали может быть добавлен кремний для повышения ее твердости, особенно для топливных деталей.
Свойства некоторых сталей после азотирования
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛИ ГАЗОМ
Технологический процесс включает в себя несколько этапов:
1. Предварительная термическая обработка.
Для крупного прутка детали перед процессом закаливают и отпускают; для прокатного прутка закаливают детали с малым поперечным сечением. Температура закалки после закалки должна быть на 40-70 0С выше температуры азотирования, чтобы фазовые превращения в сердцевине детали не повлияли на ее качество.
Таблица 7. Процессы термической обработки и механические свойства азотируемых сталей.
Перед шлифованием деталей сложной формы их закаливают при температуре 550 — 600 0С в течение 3 — 10 часов, а затем медленно охлаждают, чтобы избежать деформации.
2. Защита стали от азотирования.
Детали, не подвергшиеся азотированию, покрывают слоем олова толщиной 6-8 мкм. Чтобы предотвратить контакт жидкого олова с азотированными деталями во время плавления, их предварительно покрывают фосфатным слоем. Для защиты деталей, которые не нужно насыщать азотом, используют также пасту из смеси глицерина, соляной кислоты и гидроксида аммония, жидкого стекла и никелевого покрытия.
3. Подготовка изделий к азотированию.
Перед насыщением азотом детали обезжиривают электрохимическим способом или промывают в бензине.
Коррозионно-стойкие стали после обезжиривания протравливают, затем протирают щеткой в горячей воде, затем промывают в холодной воде и сушат. Между травлением и азотированием должно пройти не более 3 часов.
Таблица 8.1: Процессы азотирования сталей.
Таблица 8.2: Схемы азотирования сталей.
Оборудование для азотирования
Для азотирования используются различные печи: Кожухотрубные и не муфельные печи, камеры.
Наиболее широко используются муфельные печи. Они гибкие, экономичные и простые в эксплуатации. Расход газа составляет 40-50 г/кг шихты. Потребляемая мощность составляет 0,40-1,1 кВт. Весь цикл нитрификации осуществляется при непрерывной подаче аммиака.
Рисунок 1: Муфельная печь в шахте. 1 — каркас печи, 2 — вентилятор, 3 — кожухи, 4 — рубашка, 5 — футеровка, 6 — нагреватели, 7 — крестовина, 8 — направляющий экран.
ДЕФЕКТЫ АЗОТИРОВАНИЯ И ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
1. Деформация и коробление.
Деформация зависит от температуры, глубины слоя и сложности детали. Чем выше эти параметры, тем больше деформация. Такие деформации возникают при использовании высоких температур, недостаточной защите деталей от насыщения и неправильном расположении азотирующих элементов.
На деформацию азотированной стали также влияет ее состав — чем больше количество азотообразующих элементов, тем больше деформация.
Чтобы избежать деформации, снижают температуру, тщательно проводят предварительную обработку и рационально осуществляют процесс азотирования.
При размещении деталей в печи важно, чтобы они не прогибались под собственным весом. Длинные формы лучше азотируются в подвешенном состоянии в шахтных печах или на опорах в кладочных печах, в то время как формы сложной формы лучше вращаются во время азотирования.
Температура в печах должна быть равномерной по всей высоте и сечению рабочей зоны.
2. Хрупкость и шелушение.
Эти дефекты возникают из-за перенасыщения поверхностного слоя азотом и несоблюдения процедур предварительного нагрева, азотирования и шлифования.
Дефекты металлургического происхождения проявляются в виде коррозии слоя и продольного расслоения различных размеров. На участках с неметаллическими включениями и нарушениями сплошности (например, трещины) покрытие может вспучиваться. Дефекты, возникающие при шлифовании, проявляются в виде сколов, мелких неровностей и густой сети мелких морщин.
Хрупкость можно предотвратить с помощью двухэтапного цикла азотирования и шлифования поверхности на глубину 10 — 15 мкм без снижения твердости.
Во время термической обработки следует использовать защитную атмосферу, чтобы защитить сталь от науглероживания перед азотированием, а также принять меры по механической обработке.
Для уменьшения шелушения важно соблюдать условия шлифования; поперечная и продольная подачи должны иметь параметры, исключающие шелушение. Отслаивание на шлифовальном круге недопустимо.
3. Пониженная и пятнистая твердость слоя.
Это происходит из-за нарушения процесса азотирования и несоблюдения термической предварительной обработки. Так, при повышении температуры процесса азотирования твердость заготовок снижается. Твердость также снижается из-за недостаточного обезжиривания.
4. Пониженная глубина слоя.
Причинами этого являются более низкая температура азотирования, более высокое разложение аммиака и более короткое время выдержки. Этот дефект может быть исправлен повторным азотированием.
Типы сред при азотировании
При азотировании могут использоваться различные рабочие жидкости. Наиболее распространенной рабочей жидкостью, используемой при азотировании, является газовая смесь, состоящая из 50 % аммиака и 50 % пропана. Смесь также может состоять из смеси аммиака и эндогаза в равных пропорциях. Данная среда предназначена для обработки металлических сплавов при температуре не выше 570 градусов Цельсия. При обработке металлов время воздействия газообразной среды составляет 3 часа. Следует подчеркнуть, что азотированный слой, образующийся в такой рабочей среде, имеет небольшую толщину, но характеризуется повышенной прочностью и износостойкостью.
В последнее время используется ионно-плазменное азотирование, которое осуществляется в азотной атмосфере. Особенностью этого процесса является то, что стальные элементы и камера подключаются к источнику тока. Затем изделия используются в качестве отрицательного электрода, а оболочка — в качестве положительного электрода. Это создает поток ионов между элементом и оболочкой, который нагревает стальную поверхность. Это также имеет эффект насыщения стали необходимым количеством азота.
Особенности технологии
Как и любой процесс выплавки стали, азотирование имеет свои преимущества и недостатки. Азотирование гарантирует требуемые параметры, но в некоторых случаях оно может привести и к снижению рабочих параметров элемента.
- Повышенная твердость и износостойкость. Показатели сохраняются в течение длительного времени даже при условиях нагрева до 600 градусов.
- Стойкость стальных сплавов к коррозии. Благодаря воздействию азота на поверхностный слой металлической детали она становится устойчивой к коррозированию.
- Так как весь процесс обработки происходит при относительно низких температурах, то в процессе азотации элементы не изменяют своей геометрии и конечная обработка требуется в меньших количествах.
- Длительность процедуры. В отдельных случаях требуется обработка металла длительностью до нескольких суток. Также во время обработки применяется специализированное оборудование.
- Высокая стоимость изделия. Так как при азотации используются исключительно дорогие марки стали, то в итоге детали чаще всего получается в несколько раз дороже, чем обычные.
Выводы
Азотирование очень популярно во многих отраслях промышленности, так как обеспечивает стабильные результаты при низких затратах. Наиболее широко азотирование применяется в тяжелой промышленности, станкостроении и машиностроении. В этих отраслях требуется оптимальный баланс между тремя параметрами — качеством, временем и стоимостью.
- Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов: моногр. / Куксенова Лидия Ивановна. — М.: Московский Государственный Технический Университет (МГТУ) имени Н.Э. Баумана, 2012.
- Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов / И.Н. Кидин и др. — М.: Металлургия, 1978.
- Статья на Википедии
