Азотування сталі

Азотування — сталь

Азотування сталі виробляють при температурі 500 — 600 С в середовищі активного атомарного азоту, який виходить при дисоціації деяких з’єднань, наприклад аміаку, що подається безперервно в ході процесу в робочий простір печі. Атомарний азот в момент утворення має велику хімічну активність і, диффундируя в сталь, утворює нітрид заліза та інших елементів. Однак нітриди заліза — з’єднання неміцні, тому для азотування застосовують стали, леговані алюмінієм, хромом і молібденом, які утворюють міцні карбіди, в результаті чого азотований шар набуває високу твердість. Глибина і твердість азотированного шару залежать від складу стали, температури і тривалості процесу і ступеня дисоціації аміаку. Азотуванню піддають також вироби з сірого чавуну. Азотування зазвичай проводять в електричних печах періодичної дії шахтного або камерного типу. [1]

Азотування сталі 1 — 15 в маркері — Сталь, азотування 1 — 15 В рубриках, що складаються з декількох слів (складних рубриках), при повторенні перше слово замінюється подовженим тире. [2]

Азотування сталей Х12М і Х12Ф1 підвищує їх поверхневу твердість і зносостійкість. [3]

Азотування сталі є більш повільним процесом і вимагає більшого часу в порівнянні з науглероживанием. [4]

Азотування сталі 38ХМЮА з нагріванням ТВЧ протягом 3 — 5 ч і з нагріванням в печі протягом 20 — — 30 год при температурі 500 С дає однакові результати. [5]

Азотування сталі (азотізація) проводиться з метою підвищення твердості поверхні виробу за рахунок насичення азотом і освіти нітридів. При цих температурах аміак розкладається на азот і водень. Атомарний азот в момент виділення, з’єднуючись із залізом і іншими елементами стали, утворює тверді нітрид (Fe4N, A1N і ін.), Диффундирующие в поверхневі шари вироби. Азотований шар глибиною в 0 01 — 0 5 мм утворюється повільно, протягом 5 — 35 година. Звичайна азотіруют тільки леговані сталі. Хром, ванадій, вольфрам і алюміній сприяють азотуванню і отриманню більш високої твердості. [6]

Азотування сталей обумовлено тим, що при високій температурі відбувається дисоціація молекул аміаку з утворенням атомарного азоту. Останній дифундує в метал, утворюючи нітриди, що володіють високою твердістю і крихкістю. [7]

Азотування сталі значно підвищує її поверхневу твердість, яка зберігається навіть при нагріванні до 600 — 650 С, збільшує зносостійкість і межа втоми стали, а також підвищує опір корозії на повітрі, у воді і водяній парі. [8]

Азотування сталі значно підвищує її поверхневу твердість, яка зберігається навіть при нагріванні до 600 — 650 С, збільшує зносостійкість і межа втоми стали, а також підвищує опір корозії на повітрі, у воді і водяній парі. [10]

Азотування сталей. містять алюміній, дає хороші результати. [11]

Азотування сталі застосовується з метою надання їй високої твердості і великий зносостійкості, підвищення втомної міцності і повідомлення стали високою опірності корозії. [12]

Азотування сталей полягає в насиченні поверхневого шару азотом до концентрації 12% на глибину 0 3 — 0 6 мм. Твердість вимірюється за Вікерсом через малу товщини шару, що не дозволяє проводити вимір іншими методами. Азотування проводиться при 500 — 700 С Б атмосфері аміаку, який при цьому дисоціює на азот і водень. Саме атомарний азот здатний розчинятися в залозі. Азотування ведуть протягом кількох десятків годин. Оскільки температури азотування нижче А, вироби попередньо піддають повній термообробці — загартуванню та високотемпературній відпустці. Мета азотування полягає в підвищенні зносостійкості, поверхневої твердості і корозійної стійкості. У першому випадку використовуються стали з 0 3 — 0 5% С, леговані алюмінієм, хромом, молібденом до 1% кожного. [13]

Азотування сталі значно підвищує поверхневу твердість (зберігається при нагріванні до 600 — 650 С), збільшує зносостійкість стали, її межа втоми, а також опір корозії на повітрі, у воді і водяній парі. [14]

Азотування сталі марки Н18К9М5Т при т-ре 450 — 560 С протягом 48 год отримують зміцнений (- 900 ІV) шар глибиною 0 20 — 0 25 мм. Опір корозії під напругою цих сталей перевершує опір нержавіючих сталей мартенситного класу при однаковому рівні напруг. Низький вміст вуглецю та ін. Домішок зменшує щільність точок закріплення дислокацій. [15]

Сторінки: 9ensp; 9ensp; 1 9ensp; 9ensp; 2 9ensp; 9ensp; 3 9ensp; 9ensp; 4 9ensp; 9ensp; 5

Поділитися посиланням:

Азотування сталі

Азотування — хіміко-термічна обробка, при якій поверхневі шари насичуються азотом.

При азотуванні збільшуються не тільки твердість і зносостійкість, але також підвищується корозійна стійкість.

При азотуванні вироби завантажують в герметичні печі, куди надходить аміак NH3 c певною швидкістю. При нагріванні аміак дисоціює за реакцією: 2NH3 >2N + 3H2 . Атомарний азот поглинається поверхнею і дифундує вглиб виробу.

Фази, що виходять в азотированного шарі вуглецевих сталей, не забезпечують високої твердість, і утворюється шар крихкий.

Для азотування використовують сталі, що містять алюміній, молібден, хром, титан. Нітриди цих елементів дисперсних і мають високу твердість і термічної стійкістю.

Типові азотіруемие стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глибина і поверхнева твердість азотированного шару залежать від ряду факторів, у тому числі основні: температура азотування, тривалість азотування і склад азотіруемой стали.

Залежно від умов роботи деталей розрізняють азотування:

для підвищення поверхневої твердості і зносостійкості;

для поліпшення корозійної стійкості (антикорозійне азотування).

У першому випадку процес проводять при температурі 500 … 560 o С протягом 24 … 90 годин, так як швидкість азотування становить 0,01 мм / год. Зміст азоту в поверхневому шарі становить 10 … 12%. товщина шару (h ) — 0,3 … 0,6 мм. На поверхні Тримаються близько 1000 HV. Охолодження проводять разом з піччю в потоці аміаку.

Значне скорочення часу азотування досягається при іонному азотуванні, коли між катодом (деталлю) і анодом (контейнерної установкою) збуджується тліючий розряд. Відбувається іонізація азотовмісний газу, і іони бомбардуючи поверхню катода, нагрівають його до температури насичення. Катодного розпилення здійснюється протягом 5 … 60 хв при напрузі 1100 … 1400 В і тиску 0,1 … 0,2 мм рт. ст. робоча напруга 400 … 1100 В, тривалість процесу до 24 годин.

Антикорозійне азотування проводять і для легованих, і для вуглецевих сталей. Температура проведення азотування — 650 … 700 o С. тривалість процесу — 10 годин. На поверхні утворюється шар e- фази товщиною 0,01 … 0,03 мм, який має високу стійкість проти корозії. (E-фаза — твердий розчин на основі нітриду заліза Fe3 N. має гексагональну решітку).

Азотування проводять на готових виробах, які пройшли остаточну механічну і термічну обробку (гартування з високим відпуском).

Після азотування в серцевині вироби зберігається структура сорбіту, яка забезпечує підвищену міцність і в’язкість.

Азотування сталі

Азотування називають процес дифузійного насичення поверхневого шару сталі азотом при нагріванні її в аміаку. Азотування дуже сильно підвищує твердість поверхневого шару, його зносостійкість, межа витривалості та опору корозії в таких середовищах, як атмосфера, вода, пар і т.д. Твердість азотированного шару помітно вище, ніж цементованої стали і зберігається при нагріванні до високих температур (500 — 550 0 С), тоді як твердість цементованої шару, що має мартенситную структуру, зберігається тільки до 200 — 225 0 С.

До азотування деталі піддають гарту, високому відпуску (поліпшення) і чистової обробки. Після азотування деталі шліфують або полірують. Азотування сталевих виробів проводять інтервалі температур 500-620 0 С в аміаку, який при нагріванні дисоціює, поставляючи активний атомарний азот:

В системі Fе-N при температурах азотування можуть утворюватися такі фази: α-розчин азоту в залозі (азотистий ферит), γ-розчин азоту в залозі (азотистий аустеніт), проміжна γ’-фаза змінного складу з м ц. к. гратами і проміжна ε-фаза з м п. гратами і широкої областю гомогенності (від 8,1 до 11,1% N при кімнатній температурі). У загальному випадку формування структури дифузійного шару азотіруемой стали залежить від складу стали, температури і тривалості нагріву, а також і швидкості охолодження після азотування. При азотуванні стали при 590 ºС дифузний шар складається з трьох фаз: ε, γ ‘(Fe4 N), і α.

Висока твердість і зносостійкість азотіруемих конструкційних сталей забезпечуються нитридами легуючих елементів, які суттєво впливають на глибину азотированного шару і поверхневу твердість. Найбільш висока поверхнева твердість і зносостійкість при азотуванні досягається в хромомолібденових сталях, додатково легованих алюмінієм, типовим представником яких є сталь 38Х2МЮА.

Азотування підвищує межа втоми конструкційних сталей за рахунок утворення в поверхневому шарі залишкових напружень.

Тонкий шар ε-фази (0,01 — 0,03 мм) добре захищає прості вуглецеві сталі з вмістом вуглецю від 0,1 до 1,0% від корозії у вологому атмосфері і інших середовищах.

нітроцементація

Процес одночасного насичення стали вуглецем і азотом в газовому середовищі називається нитроцементацией. Нітроцементації проводять при більш низьких температурах (850 — 870 0 С) в порівнянні з цементацією. Це обумовлено тим, що азот проникаючи в сталь одночасно з вуглецем, знижує температуру існування твердого розчину на основі γ-заліза і тим самим сприяє вуглецюванню стали при більш низьких температурах. Зниження температури насичення без збільшення тривалості процесу дозволяє знизити деформацію оброблюваних деталей, зменшити нагрів пічного обладнання. Для газової цементації і нітроцементації застосовують практично однакове устаткування.

Для нітроцементації рекомендується використовувати контрольовану ендотермічну атмосферу, до якої додають 3 — 15% невідпрацьованого природного газу та 2 — 10% NН3 або в разі шахтної печі — рідкий карбюризатор — триетаноламін 2Н5О)3N, який у вигляді крапель вводять в робочий простір.

Нітроцементації зазвичай піддають леговані стали з вмістом до 0,25% З. Тривалість процесу 4-10 ч. Товщина нітроцементованного шару складає 0,2-0,8 мм. Після нітроцементації слід гарт, або безпосередньо з печі з подстуживания до 800 — 825 0 С, або після повторного нагрівання; застосовують і ступінчасту загартування. Після гарту проводять відпустку при 160 — 180 0 С.

За оптимальних умов насичення структура нітроцентіруемого шару повинна складатися з мелкокристаллического мартенситу, невеликої кількості дрібних рівномірно розподілених карбонитридов і 25 — 30% залишкового аустеніту.

Твердість шару після гарту і низького відпустки становить 58 — 64 HRC (5700 — 6900 HV). Високий вміст залишкового аустеніту забезпечує хорошу прірабативаемость наприклад, не шліфованих автомобільних шестерень, що забезпечує їх безшумність. Максимальні показники міцності досягаються тільки при оптимальному для даної стали змісті на поверхні нітроцементіруемого шару вуглецю і азоту.

В останні роки отримав застосування процес низькотемпературної нітроцементації.

Низькотемпературну нітроцементації проводять при 570 0 С протягом 0,5 — 3,0 год в атмосфері, що містить 50% ендогаз (екзогаза) і 50% аміаку або 50% пропану (метану) і 50% аміаку. В результаті такої обробки на поверхні стали утворюється тонкий карбонітридним шар Fe3(N,C). що володіє високою зносостійкістю. Твердість такого шару на легованих сталях становить 5000 — 10000 HV. Низькотемпературна нитроцементация підвищує межу витривалості виробів. Процес рекомендований для заміни рідкого азотування в розплавлених ціаністих солях.

Всі ці види термічній обробки мають свою специфіку та особливості і, як правило, використовуються в різних технологічних операціях при термічній обробці сталей і сплавів.

Методика, переваги і етапи процесу азотування стали

Суть процесу азотування

У порівнянні з цементацією азотування має кілька вагомих переваг, яке зробило його основним способом поліпшення показників стали. Азотований шар має високий показник твердості без додаткової термообробки. Крім того, після азотування розмір оброблюваної деталі залишається практично незмінним. На відміну від цементаційна процесу, його можна застосувати до готових виробів, які пройшли термічну загартування з високим відпусткою і відшліфовані до остаточних форм. Після азотування деталі повністю готові до чистової полірування і інших обробок.

Азотування — це обробка стали в процесі її нагрівання в середовищі високого вмісту аміаку. Внаслідок цього поверхня стали насичується азотом і набуває такі якості:

  • Поліпшується зносостійкість деталей з металу за рахунок підвищення індексу твердості їх поверхневого шару;
  • Зростає витривалість або втомної міцності сталевих виробів;
  • Оброблений матеріал набуває стійку антикорозійний захист, яка зберігається при контакті з водою, повітрям і пароповітряної середовищем.

Результати азотування набагато цінніше в плані подальшої експлуатації, ніж показники вироби після цементації. Так, шар після цементації може зберігати стабільні показники твердості при температурі не більше 225 ° С. а шар з азотом — до 550-600 ° С. Причиною тому служить сам механізм азотування, внаслідок якого утворюється поверхневий шар, який в 1,5-2 рази міцніше, ніж після гарту і тієї ж цементації.

механізм азотування

Азотування сталіЗазвичай ця процедури відбувається при 500-600 ° С в герметично закритій реторти (муфелі) із заліза, яка впроваджується в піч. Її розігрівають до температури відповідає обраному режиму, і витримується необхідний час. У муфелем, який являє собою контейнер, закладають сталеві елементи, які будуть схильні до азотуванню.

У реторту з балона безперервно під певним тиском запускається аміак. Всередині неї аміак, що має в своїй молекулі азот, під дією температури починає дисоціацію (розкладання) за такою формулою:

звідки отриманий в результаті цього розкладання атомарний азот проникає в метал шляхом дифузії. Це призводить до утворення нітридів на поверхні залізних виробів. А нітрид і їх тверді розчини характеризуються підвищеною твердістю. Після закінчення процедури піч повинна плавно охолоджується разом з потоком аміаку. Такий підхід закріплює ефект по твердості шару, не даючи поверхні окислюватися.

Товщина такого нітрідная шару може варіювати від 0,3 до 0,6 мм. Таким чином, відпадає потреба в подальшій термічній обробці з метою підвищення міцності характеристи к.

Схема формування шару, збагаченого азотом складна, але добре вивчена металургами. У сплаві, який утворюється внаслідок дифузії азоту в метал, спостерігається виникнення наступних фаз:

  • Твердий розчин Fe3N з часткою азоту 8,0-11,2%;
  • Твердий розчин Fe4N з часткою азоту 5,7-6,1%;
  • Розчин N в α-залізі.

При доведенні процесу до температури, яка перевищує 591 ° С можна спостерігати додаткову α- фазу. Коли вона досягає ліміту насичення, це породжує наступну фазу. Евтектоїдний розпад виробляє 2,35% азоту.

Фактори, що впливають на азотування

Азотування сталіОсновними моментами, які надають ключовий вплив на процес, є температурний режим, тиск газу і пролонгованість азотування. Ефективність також залежить від ступеня дисоціації аміаку, яка може бути в районі 15-45%. Причому існує певна залежність: чим вище температура, тим нижче твердість шару азотування, але вище швидкість дифузії. Показник твердості викликаний коагуляцией нітридів.

Для того щоб використовувати механізм по максимуму і прискорити його, вдаються до двохетапному режиму. Початкова стадія збагачення азотом проходить при температурах до 525 ° С, що забезпечує верхнім верствам стали високу твердість. Потім азотування проходить другий ступінь при температурному режимі від 600 ° С до 620 ° С. При цьому в дуже короткий час глибина азотированного шару доходить до заданих значень, прискорюючи весь процес майже в 2 рази. Однак, твердість утвореного в результаті прискорювального етапу шару нічим не буде відрізнятися від шару, який сформований за стандартною одноступінчатої методикою.

Які стали азотіруются

Для азотування застосовуються як вуглецеві сталі, так і леговані, в яких частка вуглецю 0,3-0,5%. Найкращий результат можна отримати при використанні стали з легуючими металами, які утворюють найбільш термостійкі і тверді нітриди. Так, найбільш результативним процес азотування для легованих сталей, які мають в своєму складі алюміній, молібден, хром і подібні метали. Стали з таким складом називають нітраллоямі. Молібден, зокрема, попереджає відпускну крихкість, викликану повільним охолодженням стали після процесу насичення азотом. Характеристики стали після азотування:

  • Твердість вуглецевої сталі — HV 200-250;
  • Легованої — HV 600-800;
  • Нітраллоев до HV 1200 і навіть вище.

Одночасно з тим, як твердість за допомогою легуючих складових стає вище, товщина азотированного шару — нижче. Найбільш тонкий шар утворюють стали з елементами хрому, вольфраму, нікелю, молібдену.

Рекомендовані марки стали

Застосування тієї чи іншої марки стали залежить від подальшої експлуатації металевого елемента. рекомендовані марки для азотування в залежності від призначення виробів:

  • Азотування сталіПри необхідності отримання деталей з високою поверхневою твердістю — марка стали 38Х2МЮА. Варто відзначити, що в ній міститься алюміній, який призводить до низької деформационной стійкості вироби. Тоді як застосування марок, що не містять алюмінію, значно знижує твердість поверхні і її зносостійкість, хоча дає можливість створення більш складних конструкцій;
  • Для верстатобудування застосовують покращувані леговані стали марки 40Х, 40ХФА;
  • Для деталей, що піддаються циклічним навантаженнями на вигин — марка стали 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА;
  • Для паливних агрегатів, деталі яких повинні бути виготовлені з високою точністю — марка стали 30Х3МФ1. Для одержання більш високої твердості азотонасищенного шару, цю марку стали легують кремнієм.

технологія процесу

Підготовка, насичення азотом і фінішна обробка верхнього шару сталі і сплавів має на увазі кілька ступенів:

  1. Підготовча термообробка металу, яка складається з гарту і високого відпустки. Середина вироби при цьому ставати більш в’язка і міцна. Загартування проходить при дуже високій температурі близько 940 ° С і закінчується охолодженням в рідини — олії або воді. Температурні умови відпустки складають 600-700 ° С. що наділяє метал твердістю придатної для різання;
  2. Механічна обробка заготовок, яка закінчується шліфуванням. Після цієї процедури деталь досягає потрібних розмірів;
  3. Запобіжні заходи для тих частин виробів, які повинні потрапити під дію насичення азотом. Для цього застосовують прості склади на кшталт олова або рідкого скла, що наносяться шаром не більше 0,015 мм шляхом електролізу. Відбувається освітою тонкої плівки, непроникною для азоту;
  4. Азотування сталі за вищеописаною технологією;
  5. Фінішне доведення деталей до необхідного стану.

При цьому сложноформенние заготовки з тонкими стінками упрочняют при 520 ° С .

З приводу зміни геометричних параметрів виробів після процесу азотування відзначено, що вона залежить від товщини отриманого азотонасищенного шару і застосованих температур. Однак, дана зміна в будь-якому випадку незначно.

Потрібно відзначити, що сучасні методи обробки металу способом азотування проводять в печах шахтного будови. Максимальна температура яких може досягати 700 його проведення ˚С, циркуляція аміаку в таких печах примусова. Муфель може бути вбудованим в піч або змінним.

Процес буде проходити набагато швидше, якщо впровадити додатковий муфель. Тоді запасний муфель з деталями завантажується одразу ж по готовності першого з обробленими заготовками. Однак, застосування такого способу не завжди економічно виправдано, особливо при насиченні азотом великих виробів.

Варіанти середовищ для механізму азотування

Аміачно — пропановая середу

Азотування сталіОстаннім часом досить активно застосовується метод обробки металу газом, що складається на ½ з аміаку і на ½ пропану, або тих же пропорцій аміаку і ендогаз. Таке середовище дає можливість проводити процедуру о 3 годині за 570 ˚С. Карбонітридним шар, утворений при цьому, характеризується невеликою товщиною. Але зносостійкість і міцність у нього набагато вище, ніж у шару, отриманого за звичайною методикою. Твердість даного шару перебувати в межах 600-1100 HV. Застосовується такий підхід для виробів з легованих сплавів або сталі, до яких висунуті особливі вимоги щодо граничної експлуатаційної витривалості.

тліючий розряд

Також використовується технологія зміцнення в азотовмісних розрядженою середовищі. При цьому застосовують метод тліючого розряду, підключаючи металеві деталі до катода. Заготівля в цьому випадку являє собою негативно заряджений електрод. а муфель — позитивно заряджений.

Така технологія дозволяє скоротити тривалість процесу в кілька разів. Між плюсом і мінусом збуджується розряд, іони газу (N2 або NH3) залучаються на поверхню катода, нагріваючи його до необхідної температури. Це відбувається поетапно: спочатку катодного розпилення, поверхня очищається, а потім насичують.

Перший етап розпилення повинен проходити при тиску 0,2 мм ртутного стовпа і напрузі 1400 на протягом 5-60 хвилин. При цьому поверхня нагрівається до 250 ˚С. Другий етап проводиться в умовах тиску 1-10 мм ртутного стовпчика і напрузі 400-1100 В, що займає час 1-24 години.

рідке середовище

Досить ефективним є теніфер-процес — азотування в рідини, який проходить в розплавленому ціанистим шарі при 570 ˚С протягом 30-180 хвилин.

Азотування — висновки

Азотування сталіАзотування один з найбільш популярних способів доведення металевих деталей до найкращих показників опору зношування. Крім того, отримані в результаті насичення азотом поверхневі шари мають високу опірність корозії. вироби, минулі насичення азотом. не вимагають додаткової термічної гарту. В результаті чого, азотування стало ключовим процесом обробки деталей в машинобудуванні, верстатобудування і в інших сферах, що висувають високі вимоги до складових елементів.

У азотування існують і свої недоліки, які складаються в дорожнечі і тривалості його проведення. Так, при температурах в 500 ° С азот проникає на 0,01 мм (або менше) за кожну годину. Виходячи з цього факту, загальний час всього процесу часом доходить до 60 годин.

  • Автор: Микола Іванович Матвєєв

Азотування сталі: призначення, технологія і різновиди процесу

Азотування, в процесі виконання якого поверхневий шар сталевого виробу насичується азотом, стало використовуватися в промислових масштабах відносно недавно. Такий метод обробки, запропонований до використання академіком Н.П. Чижевським, дозволяє поліпшити багато характеристик виробів, виготовлених зі сталевих сплавів.

Азотування сталі

Цех іонно-вакуумного азотування

суть технології

Азотування сталі, якщо порівнювати його з таким популярним методом обробки даного металу, як цементація, відрізняється рядом вагомих переваг. Саме тому дана технологія стала застосовуватися в якості основного способу поліпшення якісних характеристик стали.

При азотуванні сталеве вони не піддається значному термічному впливу, при цьому твердість його поверхневого шару значно збільшується. Важливо, що розміри азотіруемих деталей не змінюються. Це дозволяє застосовувати такий метод обробки для сталевих виробів, які вже пройшли загартування з високим відпусткою і відшліфовані до необхідних геометричних параметрів. Після виконання азотування, або азотації, як часто називають цей процес, сталь можна відразу ставити під полірування або іншим методам фінішної обробки.

Азотування сталі

Схема установки азотування в тліючому розряді

Азотування сталі полягає в тому, що метал піддають нагріванню в середовищі, що характеризується високим вмістом аміаку. В результаті такої обробки з поверхневим шаром металу, насичує азотом, відбуваються такі зміни.

  • За рахунок того, що твердість поверхневого шару стали підвищується, покращується зносостійкість деталі.
  • Зростає втомна міцність виробу.
  • Поверхня виробу стає стійкою до корозії. Така стійкість зберігається при контакті сталі з водою, вологим повітрям і пароповітряної середовищем.

Азотування сталі

Мікроструктура якісно азотированного шару стали марки 38Х2МЮА

Виконання азотування дозволяє отримати більш стабільні показники твердості стали, ніж при здійсненні цементації. Так, поверхневий шар виробу, який було піддано азотуванню, зберігає свою твердість навіть при нагріванні до температури 550-600 °, в той час як після цементації твердість поверхневого шару може почати знижуватися вже при нагріванні вироби понад 225 °. Характеристики міцності поверхневого шару стали після азотування в 1,5-2 рази вище, ніж після гарту або цементації.

Як протікає процес азотування

Деталі з металу поміщають в герметично закритий муфель, який потім встановлюється в піч для азотування. У печі муфель з деталлю нагрівають до температури, яка зазвичай знаходиться в інтервалі 500-600 °, а потім витримують якийсь час при такому температурному режимі.

Азотування сталі

Вакуумна піч для термічної обробки з системою газового азотування

Щоб сформувати усередині муфеля робоче середовище, необхідну для протікання азотування, в нього під тиском подається аміак. Нагріваючись, аміак починає розкладатися на складові елементи, даний процес описує наступна хімічна формула:

Атомарний азот, що виділяється в процесі протікання такої реакції, починає діффузіровать в метал, з якого виготовлена ​​обробляється деталь, що призводить до утворення на її поверхні нітридів, що характеризуються високою твердістю. Щоб закріпити результат і не дати поверхні деталі окислюватися, муфель разом з виробом і аміаком, який в ній продовжує залишатися, повільно охолоджують разом з піччю для азотування.

Нітрідний шар, що формується на поверхні металу в процесі азотування, може мати товщину в інтервалі 0,3-0,6 мм. Цього цілком достатньо для того, щоб наділити виріб необхідними характеристиками міцності. Оброблену за такою технологією сталь можна не наражати ніяким додатковим методам обробки.

Азотування сталі

Класифікація процесів азотування

Процеси, які відбуваються в поверхневому шарі сталевого виробу при його азотуванні, досить складні, але вже добре вивчені фахівцями металургійної галузі. В результаті протікання таких процесів в структурі оброблюваного металу формуються наступні фази:

  • твердий розчин Fe3 N, що характеризується вмістом азоту в межах 8-11,2%;
  • твердий розчин Fe4 N, азоту в якому міститься 5,7-6,1%;
  • розчин азоту, що формується в α-залізі.

Додаткова α-фаза в структурі металу формується тоді, коли температура азотування починає перевищувати 591 °. У той момент, коли ступінь насичення даної фази азотом досягає свого максимуму, в структурі металу формується нова фаза. Евтектоїдний розпад в структурі металу відбувається тоді, коли ступінь його насичення азотом досягає рівня 2,35%.

Азотування сталі

Клапана високотехнологічних двигунів внутрішнього згоряння обов’язково проходять процес азотування

Фактори, що впливають на азотацію

Основними факторами, які впливають на азотування, є:

  • температура, при якій виконується така технологічна операція;
  • тиск газу, що подається в муфель;
  • тривалість витримки деталі в печі.

На ефективність протікання такого процесу також впливає ступінь дисоціації аміаку, яка, як правило, знаходиться в інтервалі 15-45%. При підвищенні температури азотування твердість формованого шару знижується, але процес дифузії азоту в структуру металу прискорюється. Зниження твердості поверхневого шару металу при його азотуванні відбувається через коагуляції нітридів легуючих елементів, що входять до його складу.

Азотування сталі

Вплив температури і легуючих елементів на формування азотированного шару

Для прискорення процесу азотування і підвищення його ефективності застосовують двоетапну схему його виконання. Перший етап азотування при використанні такої схеми виконують при температурі, що не перевищує 525 °. Це дозволяє надати поверхневому шару сталевого вироби високу твердість. Для виконання другого етапу процедури деталь нагрівають до температури 600-620 °, при цьому глибина азотированного шару досягає необхідних значень, а сам процес прискорюється практично в два рази. Твердість поверхневого шару сталевого вироби, обробленого за такою технологією, не нижче, ніж аналогічний параметр виробів, що пройшли обробку за одноступеневою методикою.

Типи азотіруемих сталей

Обробці за технологією азотування можуть піддаватися як вуглецеві, так і леговані стали. характеризуються вмістом вуглецю в межах 0,3-0,5%. Максимального ефекту при використанні такої технологічної операції вдається домогтися в тому випадку, якщо їй піддаються стали, в хімічний склад яких входять легуючі елементи, що формують тверді і термостійкі нітриди. До таких елементів, зокрема, відносяться молібден, алюміній, хром та інші метали, що володіють подібними характеристиками. Стали, що містять молібден, не схильні до такого негативного явища, як відпускна крихкість, яка виникає при повільному охолодженні сталевого виробу. Після азотування сталі різних марок набувають наступну твердість:

Азотування сталі

Твердість сталей після азотування

Легуючі елементи, що знаходяться в хімічному складі стали, збільшують твердість азотированного шару, але разом з тим зменшують його товщину. Найбільш активно на товщину азотіруемого шару впливають такі хімічні елементи, як вольфрам, молібден, хром і нікель.

Залежно від сфери застосування виробу, яке піддається процедурі азотування, а також від умов його експлуатації для здійснення такої технологічної операції рекомендується використовувати певні марки стали. Так, відповідно до технологічної завданням, яке необхідно вирішити, фахівці радять застосовувати для азотування вироби з наступних марок сталей. 38Х2МЮА

Це сталь, яка після азотування відрізняється високою твердістю зовнішньої поверхні. Алюміній, що міститься в хімічному складі такої сталі, знижує деформаційних стійкість вироби, але в той же час сприяє підвищенню твердості і зносостійкості його зовнішньої поверхні. Виняток алюмінію з хімічного складу сталі дозволяє створювати з неї вироби більш складної конфігурації.

Дані леговані стали використовуються для виготовлення деталей, що застосовуються в області верстатобудування.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Ці стали служать для виробництва виробів, що піддаються в процесі своєї експлуатації частим циклічним навантаженням на вигин.

З даного сталевого сплаву виготовляються вироби, до точності геометричних параметрів яких пред’являються високі вимоги. Для додання більш високої твердості деталей з даної сталі (це переважно деталі паливного обладнання) в її хімічний склад можуть додавати кремній.

Азотування сталі

Характеристики деяких сталей після азотування

Технологічна схема азотування

Щоб виконати традиційне газове азотування, інноваційне плазмове азотування або іонну Азотування, оброблювану деталь піддають ряду технологічних операцій.

Така обробка полягає в загартуванні вироби і його високому відпустці. Загартування в рамках виконання такої процедури здійснюється при температурі близько 940 °, при цьому охолодження оброблюваного вироби виробляють в маслі або воді. Наступний після виконання гарту відпустку, що проходить при температурі 600-700 °, дозволяє наділити оброблюваний метал твердістю, при якій його можна легко різати.

Азотування сталі

Режими термообробки перед азотуванням

Ця операція закінчується його шліфуванням, що дозволяє довести геометричні параметри деталі до необхідних значень.

Захист ділянок вироби, які не вимагають азотування

Здійснюється такий захист шляхом нанесення тонкого шару (не більше 0,015 мм) олова або рідкого скла. Для цього використовується технологія електролізу. Плівка з даних матеріалів, що формується на поверхні виробу, не дозволяє азоту проникати в його внутрішню структуру.

Виконання самого азотування

Підготовлений виріб піддають обробці в газовому середовищі.

Азотування сталі

Рекомендовані режими азотування стали

Цей етап необхідний для того, щоб довести геометричні і механічні характеристики вироби до необхідних значень.

Ступінь зміни геометричних параметрів деталі при виконанні азотування, як уже говорилося вище, дуже незначна, і залежить вона від таких факторів, як товщина шару поверхні, який піддається насиченню азотом; температурний режим процедури. Гарантувати практично повна відсутність деформації оброблюваного виробу дозволяє більш вдосконалена технологія — іонну Азотування. При виконанні іонно-плазмового азотування сталеві вироби піддаються меншому термічному впливу, завдяки чому їх деформація і зводиться до мінімуму.

На відміну від інноваційного іонно-плазмового азотування, традиційне може виконуватися при температурах, що доходять до 700 °. Для цього може застосовуватися змінний муфель або муфель, вбудований в нагрівальну піч. Використання змінного муфеля, в який оброблювані деталі завантажуються заздалегідь, перед його установкою в піч, дозволяє значно прискорити процес азотування, але не завжди є економічно виправданим варіантом (особливо в тих випадках, коли обробці піддаються великогабаритні вироби).

Азотування сталі

Пуансон масою понад 230 кг, підданий азотированного обробці

Типи робочих середовищ

Для виконання азотування можуть використовуватися різні типи робочих середовищ. Найбільш поширеною з них є газове середовище, що складається на 50% з аміаку і на 50% з пропану або з аміаку і ендогаз, взятих в таких же пропорціях. Процес азотування в такому середовищі виконується при температурі 570 °. При цьому виріб піддається впливу газового середовища на протязі 3 годин. Азотований шар, створюваний при використанні такої робочої середовища, має невелику товщину, але високу міцність і зносостійкість.

Велике поширення останнім часом отримує метод іонно-плазмового азотування, виконуваного в азотовмісні розрядженою середовищі.

Азотування сталі

Іонно-плазмове азотування — погляд «зсередини»

Відмінною особливістю іонно-плазмового азотування, яке також називають обробкою при тліючому розряді, є те, що оброблювану деталь і муфель підключають до джерела електричного струму, при цьому виріб виступає в якості негативно зарядженого електрода, а муфель — в ролі позитивно зарядженого. В результаті між деталлю і муфелем формується потік іонів — свого роду плазма, що складається з N2 або NH3. за рахунок якої відбуваються і нагрів оброблюваної поверхні, і її насичення необхідною кількістю азоту.

Крім традиційного і іонно-плазмового азотування процес насичення поверхні стали азотом може виконуватися в рідкому середовищі. В якості робочого середовища, яка має температуру нагрівання близько 570 °, в таких випадках використовується розплав ціаністих солей. Час азотування, виконуваного в рідкої робочому середовищі, може становити від 30 до 180 хвилин.


Внимание, только СЕГОДНЯ!
Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *