Нитирование: процесс, классификация, факторы азотирования

Суть технологии

Азотирование — распространенный вид химико-термической обработки многих (но не всех!) марок стали. Это процесс термической обработки, при котором азот вводится в поверхность металла для создания закаленной поверхности. В результате происходит поверхностное упрочнение, после чего при рассмотрении шлифа поверхности под металлографическим микроскопом отчетливо виден тонкий белый слой с повышенной микротвердостью. Белый слой назван так потому, что он не травится обычными реагентами, позволяющими установить и изучить микроструктуру стали. В большинстве случаев после белого слоя идет переходная подложка, имеющая меньшую твердость, после чего микроструктура плавно переходит в свойство основного металла.

Количественным показателем, характеризующим качество и эффективность процесса, является микротвердость, которую оценивают с помощью металлографического микроскопа по методу Виккерса. Микротвердость по Виккерсу HV – это результат, полученный при вдавливании алмаза в сталь. Рабочая часть индентора представляет собой четырехгранную пирамиду с углом при вершине 1800. Такой же угол образуют касательные, проведенные к отпечатку. Средний результат эксперимента получается при сравнении длины двух диагоналей. Твердость по Виккерсу формально считается микротвердостью материала и измеряется в МПа.

Метод азотирования в основном используется для обработки стали, но также может быть эффективно использован для упрочнения титана, алюминия и молибдена.

Процесс азотирования заключается в диффузии азота, направление потока которого направлено в поверхностные слои стали. Начинается при относительно низких температурах (500…530 0С), поэтому последующая закалка изделия не требуется. Процесс азотирования не влияет на свойства основной микроструктуры при условии, что температура конечного отпуска изделия выше температуры азотирования.

Нитридные поверхности обладают высокой износостойкостью и противозадирными свойствами. Повышение усталостной долговечности и коррозионной стойкости детали. Еще одним преимуществом азотирования является то, что твердость поверхности благодаря наличию стойких нитридов обеспечивает высокую устойчивость к высоким рабочим температурам.

Процесс используется для химико-термической обработки:

• шестерни;
• коленчатые и распределительные валы;
• кулачковые толкатели;
• клапаны;
• шнеки для экструзионных машин;
• инструменты для литья под давлением;
• рабочие части тяжелонагруженных опалубочных инструментов;
• форсунки, предназначенные для литья пластмасс.

Во многих случаях одновременно с насыщением поверхности азотом осуществляется диффузия азотом карбонитридов, боронитридов и других твердых соединений металлов/неметаллов. Такие операции совмещаются.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА АЗОТИРОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Качество азотирования определяют на образцах из той же стали, что и детали.

Поверхность, насыщенная азотом, должна быть тускло-серой.

Детали проверяют на отслаивание и растрескивание при увеличении от 15 до 30 крат. Обратите особое внимание на острые края.

Твердость деталей проверяют на специальном приборе — твердомере при нагрузках 5 — 30 кгс.

Твердость асимметричного сортового проката проверяют после окончательной шлифовки.

Также проверяют хрупкость по специальной шкале и глубину диффузного слоя с помощью микроскопа.

При азотировании в шахтных печах обычно проверяют 5 % деталей и пробу с каждой полки зарядного устройства. В барабанных печах образцы нумеруются и каждый служит мерой качества азотирования только определенной группы деталей.

Виды

Существует 3 типа нитрования. Они отличаются способом выпуска азота, рабочей температурой и средой. Однако все они протекают по закону диффузии. Появление разных методов связано со стремлением ускорить процесс, улучшить свойства и качество продукции. Например, с развитием техники сегодня используется принцип плазменного (ионно-плазменного) нитрования и получения с использованием раствора электролита.

Суть последнего заключается в нагреве электролита анода. Высокоскоростная технология предполагает подачу на деталь электрических импульсных зарядов, которые проходят через все изделие. Плазменное азотирование востребовано из-за отсутствия использования аммиака. Кроме того, технология проходит при пониженной температуре. Это исключает возможность даже малейшего изменения исходной геометрии деталей.

Из-за этого при механической обработке используются детали с механической обработкой до размеров, не требующих чистовой обработки. Эта особенность позволяет удешевить процесс насыщения металла.

Газовое

Каталитическое газовое нитрование происходит с созданием атмосферы, в которой происходит обработка аммиака на каталитическом элементе. Методика предполагает использование сложного оборудования (шахтные, ретортные, камерные печи). За счет выделения большого объема ионизированных радикалов происходит усиление диффузии твердого раствора. Это создает ускоренное проникновение азота в структуру стали.

По сравнению с другими технологиями производства этот процесс является более дорогостоящим. Однако такая насыщенность позволяет добиться максимальной износостойкости изделий. Азотирование газа происходит в рабочей среде, где аммиак смешивается с пропаном или эндогазом. Диффузия занимает ок. 3 часа, в течение которых создается тончайшая защита. Процесс протекает при разных температурах. Для изменения структуры используют воздух, разбавляют диссоциированный аммиак и водород.

Термохимическое

Химико-термическая обработка металла предполагает использование только газообразного аммиака. Он подается из баллона в надежно закрывающийся бокс, где размещаются детали, подлежащие азотированию. Ящик помещают в печь, где осуществляется нагрев при заданной температуре. Под воздействием горячего воздуха аммиак распадается на азот и другие элементы.

Азот проникает в поверхностный слой стали. Глубина проникновения зависит от времени технологического процесса: чем дольше, тем глубже. Благодаря этой технологии можно получить армированный слой 0,6 мм. Методика считается модифицированной, более щадящей по сравнению с газовой технологией. Эффект зависит от предварительной подготовки и термических операций.

Температуру выбирают с учетом химического состава металла, параметров твердости основы, жесткости конструкции и допуска величины деформации.

АЗОТИРОВАНИЕ СТАЛИ И ЧУГУНА ГАЗОМ

Этим методом азотируют следующие типы сплавов:

1. Конструкционные.

Когда нужны детали с высокой твердостью и износостойкостью, применяют сталь 38ХМЮА. Он содержит 0,35–0,42 % C, 1,35–1,65 % Cr, 0,15–0,25 % Mo и 0,7–1,1 % Al.

Эта марка используется для производства шестерен, гильз цилиндров, червяков, шпинделей, вкладышей.

Сталь марки 38ХМЮА предрасположена к обезуглероживанию, поэтому заготовки необходимо изготавливать с запасом 2–3 мм для удаления обезуглероженного слоя, так как азотонасыщенная сторона из-за него разрыхляется.

Толщина и твердость слоя, насыщенного азотом, зависят от температуры и времени азотирования стали. Наибольшая твердость HV 1100 — 1200 достигается при 500 — 520 0С. При повышении температуры твердость снижается: при 600 0С она составляет 750 — 800 HV. Важно учитывать время выдержки при азотировании. При 520 0С она должна быть не менее 8-10 часов, при 550 0С 5-6 часов и при 600 0С 1-3 часа. Максимальная толщина слоя стали 38ХМЮА 1 мм. Следует помнить, что при предельном содержании алюминия в стали 38ХМЮА азотированный слой будет хрупким. Поэтому данная марка не подходит для производства крупногабаритных изделий, испытывающих большие нагрузки.

Для производства деталей, испытывающих большие нагрузки, используется сталь, содержащая минимальное количество алюминия. Их азотированный слой не такой твердый — 900 — 950 HV, но они обладают более высокими механическими свойствами, а азотный слой хорошо противостоит хрупкому разрушению.

Таблица 1. Влияние азотирования на износостойкость конструкционной стали.

Таблица 2. Влияние азотирования на предел выносливости.

2. Ферритные титановые.

Существенным недостатком процесса насыщения азотом является то, что процесс очень медленный. Армирование стали титаном позволяет повысить температуру азотирования до 600 0С и сократить время азотирования.

Сталь с соотношением Ti/C от 6,4 до 9,5 имеет хорошие свойства. В стали с меньшим содержанием титана азотированный слой менее твердый.

Твердость HV 850 — 950 и глубина 0,3 мм достигается при температуре 600 0С за 3 — 5 часов.

Таблица 3. Механические свойства ферритных титановых сталей, подвергнутых азотированию.

3. Процесс азотирования стали инструментальной.

Обработка режуще-нарезного инструмента таким способом повышает износостойкость в 1,5–2 раза.

Наилучшее сочетание механических свойств, износостойкости и жаропрочности для инструмента из быстрорежущей стали достигается при толщине слоя 0,01 — 0,025 мм, так что азотирование продолжается кратковременно при 510 — 520 0С.

4. Мартенситно-стареющие стали

Прочный, с хорошей пластичностью, ударопрочностью, стойкостью к хрупкому разрушению и высокой прокаливаемостью на воздухе. Их недостатками являются низкая износостойкость и предел выносливости. Азотирование значительно улучшает эти свойства.

Таблица 4. Влияние азотирования на свойства высокопрочных мартенситностареющих сплавов.

Таблица 5. Влияние азотирования на свойства низколегированных сплавов.

5. Ферритные, аустенитные, коррозионностойкие и жаропрочные стали.

Все стали с высоким содержанием хрома должны пройти специальную обработку для удаления оксидной пленки, препятствующей насыщению стали азотом. Пленка удаляется травлением в кислотах, пескоструйной обработкой или азотированием стали.

6. Аустенитные дисперсионно-твердеющие немагнитные стали.

7. Чугун.

Таблица 6. Влияние режима азотирования на механические свойства высокопрочного магниевого чугуна.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

Существуют определенные требования, предъявляемые к металлам перед проведением соответствующей процедуры. Как правило, обращают внимание на концентрацию углерода. Сорта стали пригодные для азотирования самые разные, главное условие — доля углерода 0,3-0,5%. Наилучшие результаты получаются при использовании легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла является насыщение поверхностного слоя сплавов примесями в виде алюминия, хрома и др. рассматриваемые сплавы часто называют нитральоями.

Микроструктура стали после азотирования

Введение азота осуществляется с использованием следующих марок стали:

1. Если в процессе эксплуатации на деталь оказывается значительное механическое воздействие, выбирают марку 38Х2МЮА. Он содержит алюминий, что приводит к снижению сопротивления деформации.
2. В станкостроении чаще всего применяют стали 40Х и 40ХФА.
3. При изготовлении осей, часто подвергающихся изгибающим нагрузкам, применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
4. Если при производстве необходимо добиться высокой точности линейных размеров, например, при изготовлении деталей топливных блоков, применяют сталь марки 30ХЗМФ1. Для значительного повышения прочности поверхности и ее твердости в настоящее время проводят легирование кремнем.

При выборе наиболее подходящей марки стали самое главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, также оказывающих существенное влияние на эксплуатационные характеристики металла.

Как происходит процесс азотирования

Для проведения процессов азотирования стали необходима специальная муфельная печь с герметично закрывающейся дверцей и возможностью создания внутри температуры 600-500 градусов Цельсия. Когда поверхность заготовки, помещенной в печь, достигает этой температуры, ее некоторое время выдерживают под этим нагревом.

Затем в камеру подают аммиак (2NH3), перекачивая ее под давлением. При высоких температурах аммиак распадается на такие компоненты, как 2N и 6H. Освободившиеся атомы азота начинают диффундировать в сталь и образовывать в поверхностном слое так называемые нитриды. Именно эти вещества, обладающие высокой степенью твердости, упрочняют металл и покрывают последний слой азотом.

Важно закрепить результат, то есть не допустить возможности окисления полученного стального слоя. Для этого избегают быстрого охлаждения нагретой части, чтобы она охлаждалась постепенно вместе с охлаждением камеры муфельной печи.

Слой нитрида (светлая полоса на рисунке), образующийся на поверхности металла, может иметь толщину в пределах 0,6–0,3 мм. Такие свойства являются нормой при азотировании и соответствуют всем необходимым прочностным показателям – дальнейшая обработка стали не требуется.

Как осуществляют процесс азотирования поверхности

В целом технология реализуется в 5 шагов:

1. Проводится подготовка, т.е закалка и отпуск. На этом этапе происходит перестройка атомной решетки материала, он приобретает вязкость, а затем затвердевает – в результате охлаждения, в масле или в воде, в зависимости от требований к качеству конечного продукта.
2. Механическая обработка осуществляется строгим доведением заготовки до необходимой геометрической формы, что придает ей нужные размеры.
3. Защищают отдельные части изделия – на них наносят олово или жидкое стекло, тонким слоем до 0,015 мм, образуя защитную пленку.
4. Непосредственное повышение прочности металла осуществляется путем насыщения его азотом — по одному из рассмотренных выше способов, либо газовому, либо термохимическому.
5. Проводится финишная обработка – удаление ранее нанесенного покрытия и окончательная шлифовка.

В результате такого армирования объект не требует дополнительного упрочнения — благодаря нитриду, который ровно ложится на 0,3-0,6 мм. Несмотря на его относительную новизну, все реакции и механизмы процесса уже хорошо изучены. Для достижения максимальной эффективности необходимо учитывать ключевые функции работы.

• • Температура и продолжительность операции могут незначительно варьироваться в зависимости от конкретного случая азотирования: структура стали разных марок требует разного времени для стабилизации решетки.
  • Средняя цифра, которая должна быть достигнута, составляет 600 0С – такое тепло создается в промышленной печи, и в нее направляют детали, предварительно поместив их в герметичный короб (рукав).
  • В эту емкость безопаснее всего подавать аммиак из баллона – в таком экстремальном микроклимате газ начнет распадаться на молекулы, часть из которых осядет на заготовке и диффундирует с материалом.
  • Активно образующиеся нитриды необходимо наносить на заранее подготовленную, т.е очищенную плоскость – чтобы они могли создать действительно однородный, устойчивый армирующий слой.
  • Процедуру рекомендуется проводить без резкого охлаждения – это поможет избежать окисления продукта; и это удобно, так как операцию по укреплению можно выполнить после отпуска.

Как проводится азотирование

Азотирование стали осуществляется с технической точки зрения достаточно просто, так как не требует переходной фазы от феррита к аустениту, а также не требуется дальнейшее превращение аустенита в мартенсит. Другими словами, сталь остается в исходной ферритной фазе (или цементите, в зависимости от состава сплава) на протяжении всей процедуры. Это означает, что молекулярная структура феррита (объемноцентрированная кубическая, или ОЦК, решетка) не меняет своей конфигурации и не развивается в характерную для аустенита гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, как это происходит в более традиционных технологиях, таких как как при науглероживании.

Благодаря тому, что после азотирования осуществляется только естественное охлаждение материала, отсутствует стадия последующего превращения аустенита в мартенсит. Также не происходит изменения размера молекул и, что более важно, размерных изменений, за исключением небольшого увеличения габаритных размеров конечного продукта, вызванного диффузией азота. Этот рост был учтен при разработке технологии процесса.

Важной особенностью рассматриваемой технологии является наличие искажений, вызванных поверхностным натяжением. Они высвобождаются под воздействием тепла процесса и проявляются в виде скручивания и/или изгиба готовой детали. Поэтому во многих случаях азотированные изделия подлежат последующей правке или правке на гидравлических прессах (скоростная правка на кривошипных машинах не устраняет такие дефекты).

Ниже приведены металлургические соображения и технологические требования. Азотирование — ферритный термохимический метод диффузии азота из внешнего источника к поверхности стали и чугуна. Этот процесс основан на растворимости азота в железе.

Предел растворимости азота в железе зависит от температуры. При 450 °C сплав на основе железа поглощает от 5,7 до 6,1% азота. Кроме того, образование поверхностной фазы на легированной стали в основном представлено эпсилон (ε) фазой. На это сильно влияет углерод в стали; чем больше углерода, тем больше возможностей для образования ε-фазы. При дальнейшем повышении температуры первичной фазы (γ’) (490°С) предел растворимости начинает снижаться. Это происходит при температуре около 680°С.

Факторы, которые влияют на азотацию

Диаграмма равновесия показывает, что для успеха процесса необходимо постоянное наблюдение за динамикой диффузии азота в сталь. Необходимо соблюдать ряд параметров рабочего процесса, влияющих на качество и стабильность процесса. Однако важно, что этими параметрами можно управлять с помощью относительно простых инструментов и методов.

Основные технологические параметры газового азотирования:

• температура внутри духовки;
• способ управления технологическим процессом;
• время;
• расход газа;
• газовый состав;
• техническое обслуживание технологической камеры.

Все эти факторы помогают уменьшить деформацию во время процесса, устраняя (или резко уменьшая) нежелательные остаточные напряжения. Еще одним преимуществом технологии является то, что она выступает стабилизирующим переходом, благодаря чему азотирование металла придает ему дополнительные полезные свойства.

Факторами управления процессом азотирования являются те элементы, которые обеспечивают приемлемые результаты процесса. Они есть:

• общая площадь азотированной поверхности;
• технологическое давление внутри герметичной технологической камеры;
• система подачи газа в герметичную технологическую камеру;
• система удаления газов из камеры.
• контроль процесса предварительного нагрева азотирования, включая снятие напряжений, закалку и отпуск;
• качество и целостность поверхности стали после предварительной очистки и непосредственно перед азотированием.
• константа химического состава стали для максимального насыщения поверхности азотом.

Не все марки стали, как было сказано ранее, можно азотировать.

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. Эти дефекты появляются при нарушении технологии высокотемпературной обработки, недостаточной защите деталей от насыщения, а также в случаях неправильной укладки элементов для азотирования.

На деформацию при азотировании стали влияет и состав – чем больше нитридообразующих компонентов, тем сильнее деформация.

Во избежание коробления температуру снижают, тщательно проводят предварительную термообработку и рационально размещают детали в процессе азотирования.

При размещении деталей в духовке важно, чтобы они не тонули под собственным весом. Длинные детали эффективнее азотировать в подвешенном состоянии в шахтных печах или на подставках в каменных печах, а детали сложной формы лучше во время азотирования вращать.

Температура в печах должна быть равномерной по высоте и сечению рабочей зоны.

2. Хрупкость и шелушение.

Эти дефекты появляются от пересыщения поверхностного слоя азотом, несоблюдения режимов предварительной термообработки, азотирования и шлифовки.

Дефекты металлургического происхождения проявляются в виде выкрашивания слоя и продольных сколов различных размеров. В местах с неметаллическими включениями и несплошностями (например, трещины) слой может вспучиваться. Дефекты, образующиеся в процессе шлифовки, имеют вид шелушения, мелких высыпаний и густой сети мелких морщин.

Предотвратить хрупкость можно, применяя двухстадийный цикл азотирования, а также шлифовку поверхности на глубину 10 — 15 мкм без снижения твердости.

При термической обработке перед азотированием необходимо использовать защитные атмосферы, предохраняющие сталь от обезуглероживания, а также предусматривать припуски на механическую обработку.

Для уменьшения выкрашивания важно соблюдать режим шлифования; поперечная и продольная подача должны иметь параметры, исключающие горение. Засолка кругов недопустима.

3. Пониженная и пятнистая твердость слоя.

Возникает из-за нарушения технологии азотирования и несоблюдения предварительной термической обработки. Так, с повышением температуры в процессе азотирования твердость деталей снижается. Твердость также снижается из-за недостаточного обезжиривания.

4. Пониженная глубина слоя.

причины — снижение температуры нитрования, увеличение степени диссоциации аммиака и уменьшение экспозиции. Этот дефект можно исправить повторным азотированием.

Свойства и преимущества укрепленных поверхностей

Сталь, подвергающаяся азотированию, приобретает следующие показатели твердости:

• 250-200 ВВ — углеродистый;
• 800-600 ВВ — легированные сплавы;
• 1200 HV — пропитан алюминием, хромом и другими добавками нитроллоя.

Еще одним важным практическим преимуществом, полученным в результате механической обработки, является коррозионная стойкость. Закаленные таким образом детали уже не боятся ржавчины, они больше не будут разрушаться при окислении, а значит, в процессе эксплуатации (как краткосрочной, так и долгосрочной) начинают вести себя более стабильно и предсказуемо. Следующим ключевым преимуществом метода является неизменность других показателей, в том числе геометрических. Глубина азотирования, необходимая для обеспечения достаточной твердости, относительно мала. Армирующий слой имеет толщину всего 0,5-0,6 мм: он если и увеличивает линейные размеры заготовки, то незначительно и на упрочнение никак не влияет. Вам может помочь компания «Рокта» — мы продаем ленточные пилы, если Вы хотите уточнить интересующую Вас информацию, свяжитесь с нашими менеджерами по контактным телефонам указанным на странице.

И, наконец, отсутствие ошибок в процессе реализации метода. Любая операция закалки с нитридами считается щадящей, так как проводится при температуре, при которой атомная решетка материала не изменяется, а стабилизируется.

В завершение предлагаем ознакомиться с полезными видео по теме. Они помогут не только в общих чертах представить себе цель азотирования металла вообще и стали в частности, но и детально понять, как осуществляется этот процесс. И нет сомнений, что он достоин реализации, ведь конечный результат – закаленная деталь, готовая к длительной эксплуатации.

Типы азотируемых сталей

В процессе азотирования используется низкая растворимость азота в ферритной кристаллической структуре, что способствует осаждению нитридов железа или нитридов сплавов. При содержании азота в несколько процентов на поверхности практически образуется сплошной нитридный слой (связующий слой). Этот слой связан с диффузионной зоной, где осажденные нитриды равномерно распределяются в матрице стали, что приводит к упрочнению, особенно для легированных сталей. Поскольку азот снижает температуру гамма/альфа-превращения железа до 590°C, температуры азотирования обычно ниже этих значений. Предполагается, что нижний предел температуры азотирования составляет 350°С, так как ниже этой температуры диффузия азота происходит с очень низкой скоростью.

По мере снижения температуры время азотирования, необходимое для достижения заданной глубины твердости, увеличивается.

Твердость по глубине азотирования может достигать 500 мкм при максимальном уровне твердости > 1000 HV. Поскольку нагрев и охлаждение происходят медленно, а основная структура не претерпевает никаких трансформаций или изменений объема, риск деформации невелик.

В отечественной нормативной литературе перечень сталей, пригодных для азотирования, не приводится, но рекомендации по выбору имеются в ОСТ1.90005-91 и в РД 50-186-80. Подавляющее большинство азотированных сталей – это конструкционные легированные стали, поставляемые в соответствии с требованиями ГОСТ 4543-2016.

За рубежом азотированием занимаются стали марок SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 и 9800 (США), британские авиационные стали марок BS 4S 106, BS 3S 132, 905M3, 905 и 905, а также некоторые инструментальные стали и чугуны.

В качестве материала выбрана сталь, содержащая нитридообразующие элементы. Подходят марки, содержащие хром, ванадий, молибден и особенно алюминий, которые обеспечивают гораздо более высокую поверхностную твердость. В частности, 1 % алюминия увеличивает твердость более интенсивно, чем 3 % хрома. Этот показатель не зависит от содержания углерода в стали, так как алюминий не образует карбидов и поэтому полностью доступен для образования нитридов.

Поскольку деформируемость азотированной детали зависит не только от тонкого твердого нитридного слоя, но и от химического состава и структуры основного материала, ко всем азотированным сталям относится следующее: чем однороднее и мелкозернистее структура, тем лучше Результат азотирования.

Читайте также: Настройка аэрографии для покраски автомобиля avtoshark

Разновидности азотирования и используемое оборудование

Для проведения процедуры азотирования может использоваться несколько видов оборудования, выбор которого зависит от выбранной технологии процесса насыщения стали азотом.

Продукт после обработки

Газовое

Насыщение стали азотом осуществляется в диапазоне температур 400–1200 градусов Цельсия. В этом случае используется диссоциированный аммиак. Свойства можно изменить, увеличив или уменьшив температуру нагрева.

Для проведения обработки заготовки газовым способом применяют камерные и шахтные печи. Опытные металлурги рекомендуют использовать печи с осевым ротором. Это связано с функциями оборудования и возможностью равномерно распределять температуру по всей поверхности заготовки.

Каталитическое газовое

Этот метод лечения считается более модифицированным. Состав рабочего газа – диссоциированный аммиак. Диапазон температур при азотировании выбирают в пределах 200–400 градусов Цельсия. Преимущество этого метода в том, что используются более низкие температурные условия, чем при обычном газовом азотировании.

Отопительное оборудование представляет собой комплекс элементов:

• панель управления и настройки духовки;
• водяное охлаждение;
• камера, в которой после включения образуется вакуум;
• механизмы, откачивающие воздух для создания вакуума;
• система, в которой рабочая камера заполнена газом.

Для изменения параметров слоев стали, насыщенных азотом, используют несколько методов. К ним относятся насыщение азотом, добавление в рабочую среду метана, аргона и водорода.

Азотирование с применением растворов электролита

Анодный электролитический нагрев считается одним из скоростных методов обработки стальных поверхностей. Этот метод предполагает подведение к заготовке пульсирующих зарядов электричества, которые проходят через всю деталь. При этом он должен находиться в емкости, заполненной раствором электролита.

Азотирование электролитом

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Наиболее важными факторами, влияющими на нитрификацию, являются:

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

На эффективность такого процесса также влияет степень диссоциации аммиака, которая обычно находится в пределах 15–45 %. С повышением температуры азотирования твердость образующегося слоя снижается, но ускоряется процесс диффузии азота в структуру металла. Снижение твердости поверхностного слоя металла при азотировании происходит за счет коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в состав.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Для ускорения процесса нитрования и повышения эффективности используется двухстадийная схема реализации. Первую стадию азотирования по такой схеме проводят при температуре не выше 525°. Это позволяет придать высокую твердость поверхностному слою стального изделия. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620 °С, при этом глубина азотированного слоя достигает необходимых значений, а сам процесс увеличивается почти в два раза. Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по данной технологии, не ниже соответствующего показателя для изделий, обработанных одномоментным способом.

Каталитическое газовое азотирование

Этот вид химической обработки предполагает создание в духовке особой атмосферы. Диссоциированный аммиак предварительно обрабатывается на специальном каталитическом элементе, что значительно увеличивает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии следующие:

1. Предварительное получение аммиака позволяет увеличить долю диффузии твердого раствора, что снижает долю реакционно-химических процессов при переходе активного вещества из окружающей среды в железо.
2. Предусматривается использование специального оборудования, обеспечивающего максимально благоприятные условия для химической обработки.

Процесс азотирования стали

Этот метод используется десятилетиями, он позволяет изменять свойства не только металлов, но и титановых сплавов. Высокая стоимость монтажа оборудования и подготовки среды определяет применимость технологии для получения ответственных деталей, которые должны иметь точные размеры и повышенную износостойкость.

Технологическая схема

Азот переносится из окружающей среды в следующем порядке:

1. Адсорбция атомов азота на поверхности детали.
2. Поглощение атомов азота поверхностью.
3. Диффузия атомов азота по границам и внутрь зерен.

Вокруг поверхности образуются нитриды, так называемые «исходные» точки. По мере увеличения концентрации азота и времени процесса нитриды прорастают глубже и расширяются в стороны в зерно, пока не образуется замкнутый слой. Наряду с легирующими элементами, образующими нитриды, в матрице субмикроскопически диспергированы и нитриды.

Полученный слой имеет некоторую степень пористости. Это связано с рекомбинацией с молекулярным азотом в энергетически подходящих местах, таких как границы зерен. Связующий слой может быть хрупким и склонным к сколам, поэтому его удаляют шлифованием.

Прилегающая диффузионная зона влияет на прочностные свойства (сопротивление усталости) и повышает сопротивление истиранию (прокатыванию) и истиранию. Состав нитридных слоев можно существенно изменить, регулируя условия азотирования и систематизируя выбор материалов.

Типы сред для проведения процедуры

Каждый материал требует своих условий для наиболее эффективного усвоения нитридов. Качество конечной поверхности и характеристики скоростного режима оперативного выполнения также зависят от параметров окружающей среды. Поэтому выделили 3 их вида — рассмотрим каждый из них.

Аммиачно-пропановая

Он считается наиболее используемым, для него характерны следующие особенности:

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

Окончательная закалка характеризуется высокой прочностью и отличной износостойкостью. Твердость при азотировании достигает 600-1100 HB, и это при относительно небольшой толщине покрытия.

Тлеющий разряд

Здесь среда находится в устаревшем состоянии. А будущие изделия не просто помещают в печь, а к ним подключают отрицательно заряженный контакт. Другой электрод, положительный, это сама печь.

В результате между муфелем и деталями проходит ионный ток, который превращается в плазму, состоящую из нитридов, которые под действием температуры диффундируют в материал и насыщают его.

Процедура проводится в 2 этапа:

1. на рабочие плоскости напыляется катод — для их очистки;
2. усиление осуществляется напрямую – с учетом функций, описанных выше.

Метод хорош скоростью реализации и тем, что подходит для сплавов.

Жидкая

Известны также случаи применения азотирования в растворах цианистых солей — их компоненты в результате перемешивания частиц при нагреве также достаточно эффективно проникают в толщу металла. Но они сравнительно редки – метод применяется редко, потому что он дорог и, главное, опасен для здоровья – вдыхать пары запрещено. Хотя он производительный и не предполагает жестких требований: например, температура должна достигать 570 0С (достичь ее не проблема), а время выдержки должно составлять 2,5-3 часа, что вполне оперативно. Отсюда вывод: на окончательный выбор среды влияют не только особенности усвоения нитридов конкретного материала, но и сопутствующие условия проведения процедуры.

Типы рабочих сред

Используются три основных процесса азотирования — газовое, соляная ванна и плазменное.

Аммиачно-пропановая

При газовом азотировании донором является газ, богатый азотом, обычно аммиак (NH3). Когда аммиак вступает в контакт с продуктом, помещенным в печь, он превращается в атомарный азот и водород. Затем азот вводится в поверхностные слои заготовки и образует там слой, обогащенный нитридами. В соответствии с требуемыми свойствами азотистого слоя задаются режимы обработки.

Для успешного проведения процесса нитрования необходимо контролировать ряд параметров в рабочем процессе. Эти варианты газового азотирования включают:

• температура духовки;
• время;
• расход газа;
• контроль газовой активности.

Все эти факторы помогают уменьшить деформацию конечного продукта.

Тлеющий разряд

Этот процесс также известен как плазменное или ионное азотирование. Здесь реакционная способность среды определяется не температурой, а интенсивностью насыщения ионами основного газа. Для образования молекул с высоким содержанием ионов вдоль азотированной поверхности генерируются сильные электрические поля.

Прогрессивность процесса насыщения азотом при эксплуатации заключается в том, что разложения исходного газа не наблюдается, что исключает необходимость введения дополнительных объемов азота. Технология также имеет более короткое время цикла, что обеспечивает более точный контроль микроструктуры. В результате не только улучшаются механические свойства стальных деталей, но и повышается их долговечность, поэтому не требуется никаких дополнительных операций.

Жидкая среда

Процесс происходит в соляной ванне. Он использует принцип разложения цианида в цианат и высвобождения азота внутри соли для диффузии на стальную поверхность. Солевой расплав, участвующий в процессе, также содержит азот, активно диффундирующий на поверхность под действием высоких температур. Если в солевых расплавах есть углерод, конечным результатом будет карбонитрация. Температуру солевого расплава необходимо поддерживать в пределах 550…570°С. В результате интенсифицируется диффузия, что положительно сказывается на производительности процесса (не более 4…5 часов)..

Метод также имеет ограничения, связанные с токсичностью компонентов — цианидов. Кроме того, изменение химического состава расплава изменяет и параметры образующегося азотистого слоя.