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.

    1. Суть технологии и ее назначение
    2. Виды азотирования сталей
    3. Газовая азотация стали
    4. Термохимический процесс
    5. Как осуществляют процесс азотирования поверхности
    6. Факторы, влияющие на азотацию
    7. Температура проведения операции
    8. Давление газа
    9. Продолжительность выдержки в печи
    10. Типы сред для проведения процедуры
    11. Аммиачно-пропановая
    12. Тлеющий разряд
    13. Жидкая
    14. Какие металлы подлежат азотированию
    15. Свойства и преимущества укрепленных поверхностей

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:

  • Значительно повышается прочность поверхностных слоев, за счет чего серьезно увеличивается износостойкость конечного продукта.
  • Снижается вероятность возникновения усталостных изменений.
  • Возрастает стойкость к коррозии, агрессивным средам, деструктивным воздействиям различных веществ, позволяющая выдерживать даже прямые контакты с ними.

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.

технология азотирования стали

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:

  • используемая среда;
  • специфика выделения нитридных соединений;
  • температурный режим.

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.

Есть два нюанса:

  • Оборудование для воплощения этого метода в жизнь должно создавать особенный микроклимат и поэтому оно сравнительно сложное.
  • Во время упрочнения выделяется значительное количество ионизированных радикалов, что приводит к повышению твердорастворной доли.

виды азотирования сталей

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:

  1. Выполняется подготовка, то есть закалка и отпуск. На этой стадии перестраивается атомная решетка материала, он приобретает вязкость, а после упрочняется – в результате охлаждения, в масле или в воде, в зависимости от требований к качеству конечного изделия.
  2. Производится механическая обработка с доведением заготовки строго до необходимой геометрической формы, с приданием ей нужных размеров.
  3. Предохраняются отдельные участки изделия – на них наносится олово или жидкое стекло, тонким слоем до 0,015 мм, образующее защитную пленку.
  4. Осуществляется непосредственное повышение прочности металла, путем насыщения его азотом – по одному из рассмотренных выше методов, либо газовым, либо термохимическим.
  5. Выполняется финишная отделка – для снятия ранее сделанного покрытия и финальной шлифовки.

технологический процесс азотирования

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.

  • Температура и продолжительность проведения операции могут несколько отличаться в зависимости от конкретного случая азотирования: структура стали разных марок требует различного времени на стабилизацию решетки.
  • Средний показатель, которого стоит достигать – 600 0С – такой жар создается в промышленной печи, в нее и отправляют детали, предварительно уложив их в герметичный бокс (муфель).
  • Подавать аммиак в данный контейнер безопаснее всего из баллона – в столь экстремальном микроклимате газ начнет распадаться на молекулы, часть которых и будет оседать на заготовке, диффундируя с ее материалом.
  • Активно образующиеся нитриды должны осаждаться на предварительно подготовленную, то есть очищенную плоскость – чтобы они могли создать действительно ровный упрочняющий слой со стабильными характеристиками.
  • Проводить процедуру рекомендуется без резкого охлаждения – это поможет избежать окисления изделия; и это удобно, так как выполнять операцию укрепления можно уже после отпуска.

стали которые подвергаются азотированию

Факторы, влияющие на азотацию

Всего их 3, и это:

  1. температура выполнения операции;
  2. давление направляемого в муфель газа;
  3. время выдержки заготовки в специальной печи.

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.<Чтобы сократить время проведения технологического процесса и одновременно обеспечить достаточную твердость азотированного слоя, насыщение нитридами осуществляют при двух терморежимах. Рассмотрим их и каждый следующий фактор подробнее.

Температура проведения операции

На первой стадии она достигает максимум 525 0С, благодаря чему можно задать необходимый уровень твердости без риска перекалить заготовку. На втором же этапе она уже 600-620 0С, что позволяет достичь нужного уровня проникновения аммиака, но на скорости, в 2 раза превышающей стандартную. И это при аналогичной прочности – метод доказал свою полезность и быстро завоевал популярность.

применение азотирования

Давление газа

Осуществлялись эксперименты, чтобы выяснить, насколько сильно оно влияет на конечный результат. Подачу понижали с 300 Па до 60, проводя укрепление в двух терморежимах, а также одинаковую обработку после азотирования деталей и растяжение при неизменной относительной степени деформации. И оказалось, что предел текучести не увеличивается, деформация происходит все так же однородно, по всей площади контакта материала заготовки с нитридами, но при этом аммиак слабее меняет пластические и механические показатели образцов. После чего был сделан вывод о нецелесообразности введения подобных новшеств.

Продолжительность выдержки в печи

Здесь все просто: чем больше заготовка пребывает в муфеле, тем прочнее она будет, но с некоторыми оговорками. Возьмем температуру в 500 0С: при ней частицы распада газа диффундируют в толщу металла на 0,1 мм за каждые 10 часов. Казалось бы, достаточно просто подождать, но в условиях производства это не всегда целесообразно – в запасе банально нет тех 2,5 дней, за которые толщина азотированного слоя достигнет нужных 0,5-0,6 мм.

толщина азотированного слоя

Поэтому на практике используют метод двухступенчатого нагрева, описанный выше, – он позволяет сократить время выдержки до 2-2,5 раз и добиться при этом прочности в 1000-1100 НВ.

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.

азотация стали

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.

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.

Свойства и преимущества укрепленных поверхностей

Стали, которые подвергаются азотированию, приобретают такие показатели твердости:

  • 250-200 HV – углеродистые;
  • 800-600 HV – легированные сплавы;
  • 1200 HV – насыщенные алюминием, хромом, другими добавками нитраллоя.

стали которые подвергаются азотированию

Еще один важный практический плюс, получаемый в результате обработки, – коррозионная стойкость. Упрочненные таким образом детали перестают бояться ржавчины, от окисления они уже не разрушатся, а значит при использовании (как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе) они начинают вести себя более стабильно и предсказуемо. Следующее ключевое достоинство метода – неизменность любых других показателей, включая геометрические. Глубина азотирования, необходимая для придания достаточной твердости, сравнительно небольшая. Укрепляющий слой получается всего 0,5-0,6 мм в толщину: если он и увеличивает линейные размеры заготовки, то несущественно, а на отпуск вообще никак не влияет.

И, наконец, отсутствие дефектов в процессе реализации метода. Любая разновидность операции упрочнения нитридами считается щадящей, так как проводится при такой температуре, при которой атомная решетка материала не меняется, а стабилизируется.

В качестве завершения предлагаем ознакомиться с полезными роликами по теме. Они помогут не только в общих чертах представлять себе цель азотирования металла вообще и сталей в частности, но и предметно понять, каким же образом осуществляется этот процесс. А в том, что он заслуживает реализации, уже не приходится сомневаться, ведь его конечный результат – упрочненная деталь, готовая к длительной эксплуатации.

LEAVE A COMMENT

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *