что такое азотирование стали
Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса
Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.
Цех ионно-вакуумного азотирования
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.
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.
Как протекает процесс азотирования
Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.
Вакуумная печь для термической обработки с системой газового азотирования
Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:
Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.
Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.
Классификация процессов азотирования
Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:
Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.
Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования
Факторы, оказывающие влияние на азотацию
Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:
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.
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.
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.
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.
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
Технологическая схема азотирования
Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.
Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде. Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.
Режимы термообработки перед азотированием
Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.
Защита участков изделия, которые не требуют азотирования
Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.
Выполнение самого азотирования
Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.
Рекомендуемые режимы азотирования стали
Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.
Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры. Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование. При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.
В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь. Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).
Пуансон массой более 230 кг, подвергнутый азотированной обработке
Типы рабочих сред
Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов. Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.
Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.
Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»
Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N2 или NH3, за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.
Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.
Азотирование стали
Улучшение свойств металла может проходить путем изменения его химического состава. Примером можно назвать азотирование стали – относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, которая стала применяться в промышленных масштабах около столетия назад. Рассматриваемая технология была предложена для улучшения некоторых качеств продукции, изготавливаемой из стали. Рассмотрим подробнее то, как проводится насыщение стали азотом.
Назначение азотирования
Многие сравнивают процесс цементирования и азотирования по причине того, что оба предназначены для существенного повышения эксплуатационных качеств детали. Технология внесения азота имеет несколько преимуществ перед цементацией, среди которых отмечают отсутствие необходимости повышения температуры заготовки до значений, при которых проходит пристраивание атомной решетки. Также отмечается тот факт, что технология внесения азота практически не изменяет линейные размеры заготовок, за счет чего ее можно применять после финишной обработки. На многих производственных линиях азотированию подвергают детали, которые прошли закалку и шлифование, практически готовы к выпуску, но нужно улучшить некоторые качества.
Назначение азотирования связано с изменением основных эксплуатационных качеств в процессе нагрева детали в среде, которая характеризуется высокой концентрацией аммиака. За счет подобного воздействия поверхностный слой насыщается азотом, и деталь приобретает следующие эксплуатационные качества:
Вышеприведенная информация определяет то, что результаты азотирования более весомы, чем цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии. В большинстве случаев переданные эксплуатационные качества сохраняются даже при нагреве заготовки до температуры 600 градусов Цельсия, в случае цементирования поверхностный слой теряет твердость и прочность после нагрева до 225 градусов Цельсия.
Технология процесса азотирования
Во многом процесс азотирования стали превосходит другие методы, предусматривающие изменение химического состава металла. Технология азотирования деталей из стали обладает следующими особенностями:
Цех ионно-вакуумного азотирования
Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:
Режимы азотирования стали
Получаемый слой после азотирования, который представлен нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, за счет чего отпадает необходимость в проведении процедуры закаливания. Как ранее было отмечено, азотирование проводят относительно недавно, но сам процесс преобразования поверхностного слоя металла был уже практически полностью изучен, что позволило существенно повысить эффективность применяемой технологии.
Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию
Существуют определенные требования, которые предъявляются к металлам перед проведением рассматриваемой процедуры. Как правило, уделяется внимание концентрации углерода. Виды сталей, подходящих для азотирования, самые различные, главное условие заключается в доле углерода 0,3-0,5%. Лучших результатов достигают при применении легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла назовем насыщение поверхностного слоя сплавов, которые в составе имеют примеси в виде алюминия, хрома и другие. Рассматриваемые сплавы принято называть нитраллоями.
Микроструктура сталей после азотирования
Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:
При выборе наиболее подходящей марки стали главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, которые также оказывают существенное воздействие на эксплуатационные свойства металла.
Основные виды азотирования
Выделяют несколько технологий, по которым проводят азотирование стали. В качестве примера приведем следующий список:
В промышленности наибольшее распространение получила газовая среда за счет возможность обработки сразу большой партии.
Каталитическое газовое азотирование
Данная разновидность химической обработки предусматривает создание особой атмосферы в печке. Диссоциированный аммиак проходит предварительную обработку на специальном каталитическом элементе, что существенно повышает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии заключаются в нижеприведенных моментах:
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:
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.
Что такое азотирование стали: назначение, технологический процесс, виды
Уделим внимание популярному сегодня методу укрепления заготовок. Подробно рассмотрим технологический процесс азотирования стали, со всеми его основными видами и особенностями. Отдельно разберем факторы влияния и зависимость среды – чтобы вы понимали, какому способу отдавать предпочтение в той или иной ситуации.
Сразу отметим возможность проведения широкого ряда сопутствующих операций. Не составляет труда предварительно закалить будущее изделие, выполнить нужный отпуск и шлифовку. На завершающем же этапе без проблем осуществляется полировка. Финансовые и трудовые затраты на реализацию всего цикла сравнительно небольшие, поэтому он востребован и популярен на предприятиях самых разных промышленных масштабов.
Суть технологии и ее назначение
Метод сводится к термической обработке детали в среде, непрерывно насыщаемой аммиаком. Она проводится в условиях полной герметичности – в специальной камере-печи.
В результате проведения такой операции материал заготовки приобретает следующие качественные изменения:
Очень важно, что при этом изделие не подвергается какому-то экстремальному нагреву и его геометрические показатели остаются такими же. Как раз это свойство и позволяет предварительно подготовить элемент – отшлифовать, выполнить отпуск с максимальной точностью.
Еще один ключевой момент в том, что все приобретенные качества отличаются высокой стабильностью. Так, например, твердость не снижается ни со временем, ни под воздействием температур, а вот после цементации подобный эффект достаточно часто наблюдается уже при 225 0С.
На практике назначение азотирования стали сводится к полезному изменению эксплуатационных характеристик металла. В результате правильного проведения термического укрепления заготовка служит как минимум в 1,5-2 раза дольше, чем после «классической» закалки.
Да, в зависимости от выбранного способа (их мы рассмотрим ниже) конечные показатели предмета могут несколько отличаться. Но важно, что они остаются неизменными даже при резком изменении условий использования, например, при нагреве до 400-500 0С. Потому что обработанные по-другому элементы в столь жестких условиях выходят из строя уже не в 1,5-2, а в 5-10 раз быстрее.
Виды азотирования сталей
Все существующие сегодня варианты могут отличаться между собой по следующим параметрам:
В каждом из этих случаев газ проникает в материал заготовки за счет диффузии. Скорость данного молекулярного обмена сегодня можно увеличить, а эффективность сцепления – повысить. Укрепление может быть реализовано одним из трех способов, и если насыщение в цианистых солях не очень популярно, то другие два используются гораздо чаще, обладают своими особенностями и поэтому заслуживают самого подробного рассмотрения.
Газовая азотация стали
Это каталитическое насыщение: в печи создается и поддерживается стабильная атмосфера, при которой с помощью активного элемента запускают реакцию с диссоциированным нитритом. В результате диффузия происходит сравнительно быстро, и газ эффективно проникает в толщу материала.
Относительным недостатком способа является дороговизна его реализации, зато он обеспечивает максимальные параметры износостойкости. Поэтому он востребован при изготовлении элементов для особо ответственных производственных линий и объектов.
Термохимический процесс
В рамках этой технологии азотирования стали используется чистый аммиак, а не его смесь с пропаном и эндогазом, как в предыдущем случае. Подача среды осуществляется из баллона в муфель (герметичный бокс), в котором уже должны быть предварительно уложены заготовки. Этот резервуар в свою очередь отправляют в печь, а в ней поддерживается стабильно нужная температура. Под воздействием горячего воздуха составной газ начинает распадаться на элементы. Содержащийся в нем азот проникает в материал заготовки, причем постепенно – тем глубже, чем дольше выполняется обработка. Результат – ровный и однородный укрепляющий слой в 0,5-0,6 мм.
Как осуществляют процесс азотирования поверхности
В общем случае технология реализуется в 5 этапов:
В результате такого укрепления предмет не требует дальнейшего закаливания – благодаря нитриду, ровно ложащемуся на 0,3-0,6 мм. Несмотря на относительную новизну, все реакции и механизмы процесса уже отлично изучены. Чтобы добиться максимальной эффективности, необходимо учитывать ключевые особенности проведения работ.
Факторы, влияющие на азотацию
Также стоит отметить важную роль диссоциации аммиака: стандартной считается степень разделения в 15-45%. Обратите внимание, при более интенсивном нагреве диффузия убыстряется, но прочность создаваемого слоя уменьшается. Это объясняется коагуляцией нитридов – сталкиваясь на скорости, молекулы легирующих добавок слипаются между собой чаще, чем в нормальной ситуации.