Азотирование
Азотирование это процесс насыщения поверхности стали азотом.
Азотируемые металлы и сплавы
- Порошковые материалы
- Чугун высокохромистый, износостойкие сплавы с высоким содержанием хрома
- Сплавы титана, сплавы ниобия, вольфрама, берилия.
- Углеродистые и легированные стали а также инструментальные и конструкционные
Зачем нужно азотирование
Азотирование нужно для получения упрочненных поверхностей, защищенных от коррозии, для повышения усталостной прочности и повышения износостойкости.
Азотирование, чем хорош процесс
Для получения деталей с повышенной износостойкостью широко применяется цементация с последующей закалкой.
В зависимости от условий эксплуатации конструктор определяет требования к деталям узлов и механизмов. Заданные конструктором параметры можно получать при больших температурах, порядка 900ᴼС путем науглероживания перед закалкой, в течение длительного времени для увеличения прочности слоя в 1-2 мм. Это приводит к изменению структуры и соответственно к изменению геометрии и веса. После выполнения закалки, требуется проведение отпуска, чтобы снизить внутренние напряжения и получить однородную структуру. Далее потребуется мех. Обработка для достижения хорошего состояния поверхности деталей.
Азотирование, для упрочнения поверхностного слоя металла, является альтернативой цементации. При помощи термохимического процесса происходит обогащение поверхности металла азотом.
Получается азотированный слой металла, с внешней и внутренней областью диффузии.
Получается тонкая поверхность металла с улучшенными характеристиками по износостойкости, коррозионностойкости, сопротивлению продолжительным нагрузкам независимо от характеристик по прочности основного металла детали.
В данном случае преимущество азотирования перед цементацией является то, что диффузия азота происходит при таких же температурах или близких к таким термическим видам обработки металлов как улучшение и отпуск.
Изменения структуры и коробление минимальное, а также после азотирования не требуется дополнительная механическая обработка.
Для деталей разного назначения могут применяться различные способы азотирования.
Азотирование применяется в таких отраслях промышленности как: автомобилестроение, авиастроение, электротехнической, медицинской и многих других.
Азотирование имеет целый ряд преимуществ, а именно: повышает износостойкость и прочность металла, увеличивая срок службы деталей машин, уменьшает затраты на ремонт и их замену.
При азотировании в поверхностном слое металла образуются нитриды, которые и повышают его свойства к износостойкости и коррозионной стойкости.
После азотирования металл получает матовый цвет и эффект полировки, что является более привлекательнее эстетически.
Азотирование проводится уже при финишной обработке металла. Выполняется и для больших конструкций так и для отдельных деталей. Гайка с болтом азотируется для улучшения потребительских свойства, в то время как азотирование крыла самолета преследует увеличение аэродинамических свойств крыла.
Можно сказать, что азотирование является довольно трудоемким технологическим процессом, требующий высокой квалификации и опытности персонала.
Для увеличения стойкости поверхности металла воздействию абразивов, также применяется метод азотирования.
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).
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.
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.
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.
Азотирование растворами электролитов
Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности азотом в многокомпонентных растворах электролитов является одним из видов высокоскоростной электрохимической и термической обработки (анодный нагрев электролита) изделий малого размера. Анодная часть при подаче постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В нагревается до температуры 450-1050°C. Достижение таких температур обеспечивается непрерывной и стабильной парогазовой оболочкой, отделяющей анод от электролита. Для обеспечения азотирования, в дополнение к электропроводящему компоненту, в электролит вводят донорные вещества, обычно нитраты.
Оборудование для азотирования
Для газового азотирования в основном используются шахтные, ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед его подачей в печь используется диссоциатор.
Для проведения каталитического газового азотирования в основном используются шахтные, ретортные и камерные печи, оснащенные встроенными катализаторами и кислородными датчиками для определения насыщающей способности атмосферы.
Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования используются специализированные установки, в которых продукты нагреваются за счет катодной бомбардировки ионами и, по сути, насыщения.
Установки для электрохимической и термической обработки используются для азотирования из растворов электролитов
Факторы, оказывающие влияние на азотирование
Основными факторами, влияющими на азотирование, являются:
- температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
- давление газа, подаваемого в глушитель;
- продолжительность выдержки детали в печи.
На эффективность такого процесса также влияет степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в пределах 15-45%. С повышением температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит за счет коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.
Влияние температуры и легирующих элементов на формирование нитридного слоя
Для убыстрения процесса азотирования и увеличения его эффективности применяется двухэтапная схема его использования. Первая стадия азотирования при использовании такой схемы применяется при температуре, не превышающей 525°. Это помогает придать высокую твердость поверхности стального изделия. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600-620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется почти в два раза. Твердость поверхности стального изделия, обработанного по этой технологии, не ниже аналогичного параметра изделий, обработанных по одноступенчатой технологии.
Используемая литература:
«Термическая обработка металлов» В.М. Зуев.
Прочитали статью. Вам понравилось? Пишите свое мнение в комментариях, делитесь ссылкой на статью с друзьями.
