Азотування сталі: опис суті і методики процесу, технологічних етапів і рекомендованих марок сталі

Азотування сталі — не настільки давня практика дифузного насичення її поверхневого шару азотом. У промисловому масштабі такий спосіб застосовується тільки з 20-х років минулого століття. Дана процедура, запропонована академіком Н.П. Чижевським, значно покращує якість сталевої продукції за багатьма параметрами.

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

Зазвичай 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:

2 NH 3> 6 H +2 N,

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.

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? Залізо.

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

Фактори, що впливають на азотування

Основними 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:

  • При 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 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

Останнім часом досить активно застосовується метод обробки металу газом, що складається на? з аміаку і на? 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 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, які пройшли 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.

Ссылка на основную публикацию