Азотирование

 

   Азотированием  называется процесс насыщения поверхности стали  азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480-650ᴼ С. При этих  температурах по реакции

2NH3        2N+3H2

Выделяется  атомарный азот, который диффндирует в поверхностные слои детали.

Для азотирования применяют  среднеуглеродистые легированные стали, содержащие Cr, W, Mo, V, Al.

При азотировании легированных сталей азот  образует  с легирующими  элементами устойчивые нитриды, которые придают азотированному слою высокую твердость.  Твердость поверхностного слоя деталей после азотирования достигает HV1100-1200. Типичная марка стали для азотирования 38ХМЮА.

Перед азотированием детали подвергают термической обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска (улучшению). Затем производят механическую обработку, придающую  окончательные размеры  изделию.

Участки, не подлежащие азотированию,  защищают тонким слоем (0,001-0,015 мм) олова, нанесенным  электролитическим  методом, или жидким стеклом. В процессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхности  стали в виде тонкой непроницаемой для азота  пленки.  Продолжительность процесса зависит от  толщины  слоя. На рис. 1, б показано, что чем выше температура азотирования, тем меньше его  продолжительность.  Однако более высокие температуры приводят к снижению  твердости  азотированного слоя

(рис.1 а).

Влияние температуры и продолжительности процесса азотирования на твердость и толщину слоя азотирования

   Обычно процесс азотирования ведут при  температурах 500-520ᴼ С, а затем температуру повышают до 580-600ᴼ С. В этом случае получают  слои толщиной до 0,5 мм за 24-90 ч.

Для ускорения процесса  азотирования  применяют  двухступенчатый цикл (рис. 2). Вначале азотирование ведут при 500-520ᴼ С, а затем  температуру  повышают  до 580-600ᴼ С.  Это ускоряет процесс в 1,5- 2 раза при  сохранении высокой твердости азотированного слоя.

схема двухступенчатого процесса азотирования

 

   В процессе  азотирования изменяются размеры деталей за счет  увеличения объема поверхностного слоя. Чем  выше температура процесса и больше толщина азотированного слоя, тем больше  изменение  размеров деталей.

Для повышения коррозионной устойчивости  изделий  азотирование проводят при температуре 600-700ᴼ С в течение 15 мин для мелких деталей и 6-10 ч для  крупных деталей.

Процесс жидкостного азотирования  осуществляют при температуре 570ᴼ С  в расплаве  цианосодержащих  солей. В ходе процесса расплав  непрерывно продувается  сухим  и чистым воздухом, что  обеспечивает  превращения цианида (KCN) в  цианат (KCNO),  являющийся  поставщиком  атомов  углерода и азота.

Преимуществом  жидкостного азотирования  является резкое  сокращение времени получения насыщенного слоя  по сравнению с газовым  азотированием (слой толщиной 0,10-0,20 мм получают за 1,5-3 ч).  Кроме того, отсутствие  водорода в среде  способствует  повышению  вязкости  слоя.

Недостатком процесса является применение  ядовитых солей.

Широкое применение получает ионное азотирование.  Пор сравнению с газовым  азотированием оно имеет  ряд  преимуществ: меньшую продолжительность  процесса, более высокое качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.

На рис 3 показана схема установки для  ионного азотирования.

схема установки для ионного азотирования

 В разреженном  пространстве между  катодом  (деталью) и анодом (вакуумный контейнер)  возбуждается тлеющий разряд  в среде газа, содержащего  атомы и ионы азота. В качестве  насыщающей атмосферы используют аммиак из баллонов, смесь азота  с  водородом или тщательно очищенный  от кислорода азот.   При возбуждении тлеющего разряда  к поверхности детали (катоду) устремляется поток положительно заряженных  ионов азота.  При ударах ионов о катод  выделяется  тепло,  за счет которого происходит  разогрев  поверхности детали.

Рабочее давление в камере печи составляет 130-1300 Па. При более высоком давлении тлеющий разряд  становится менее стабильным и чаще переходит  в дуговой. Это может вызвать перегрев поверхности и даже ее оплавление.

Используемая литература:

«Термическая обработка металлов»   В.М. Зуев.