Азотирование стали представляет собой относительно новую технологию диффузного насыщения поверхностного слоя азотом. Её автором стал академик Н. П. Чижевский , который предложил применять уникальную методику для существенного улучшения рабочих свойств и параметров стальной продукции. До 20-х годов прошлого столетия способ не использовался в промышленном масштабе.
Принцип процесса
Если сравнивать азотирование с традиционной цементацией, то первый вариант предлагает множество весомых преимуществ, нехарактерных для других технологий. По этой причине его до сих пор считают самым лучшим и эффективным способом обработки стальных конструкций с целью получения максимальных показателей прочности без применения дополнительной термообработки. Плюсом методики принято считать сохранение прежних размеров заготовки, что позволяет применять её уже к готовым изделиям, прошедшим термическую закалку с высоким отпуском и шлифование до окончательной формы. Успешное завершение азотирования позволяет проводить конечную полировку и другую обработку.
Процесс выполняется под воздействием аммиака, который нагревается до определенных температур. В результате материал поддаётся насыщению азотом и обретает массу уникальных свойств, включая:
- улучшенную износостойкость металлических деталей, которая обеспечивается повышением индекса твердости их поверхностного слоя;
- более высокую выносливость или усталостную прочность заготовки;
- приобретение стойкой антикоррозийной защиты, которая остаётся прежней даже при воздействии с водой, воздухом и газовоздушной средой.
Прошедшие азотную обработку детали гораздо качественнее, чем аналогичные изделия, поддавшиеся цементации. Известно, что после второй процедуры слой сохраняет стабильную твердость лишь при условиях, что температурные показатели не превышают 225 градусов. В случае с азотом максимальный порог достигает 550−600 градусов. Это объясняется выработкой поверхностного слоя, который в несколько раз прочнее, чем традиционная закалка и цементация.
Механизм азотной обработки стали
Процедуру выполняют в нагретой до 500−600 градусов Цельсия герметично закрытой среде из железа, которую устанавливают в печь. Точные показатели температуры муфели (закрытой реторты) определяются режимом и ожидаемым результатом. То же самое касается времени процедуры. В контейнере размещаются элементы из стали, которые будут насыщаться азотом.
В процессе выполнения действия в реторту из баллона подаётся аммиак, который характеризуется способностью диссоциации (разложения) под воздействием определенной температуры. Механизм азотирования можно описать следующей формулой: 2 NH3 → 6H +2N.
В результате на поверхности железных изделий образуется слой нитридов, для которых характерна особая твердость. Как только процедура завершается, печь охлаждают вместе с потоком аммиака. Подобными действиями удаётся закрепить эффект по твердости слоя и предотвратить окисление поверхности.
Толщина нитридного слоя достигает 0,3−0,6 миллиметров. В итоге необходимость в термической обработке для улучшения показателей прочности банально пропадает. Формирование азотного слоя выполняется по сложной схеме, однако, путём продолжительных исследований металлурги изучили её максимально подробно. В сплаве возникают следующие фазы:
- Твердый раствор Fe3N с долей азота 8,0−11,2%;
- Твердый раствор Fe4N с долей азота 5,7−6,1%;
- Раствор N в α-железе.
Если удаётся довести процесс до температуры 591 градусов Цельсия, это позволяет заметить ещё одну α-фазу. При достижении лимита насыщения возникает ещё одна фаза. Эвтектоидный распад производит 2,35% азота.
Какие факторы влияют на азотирование
Ключевое воздействие на процедуру оказывают следующие факторы:
- температурный режим;
- давление газа;
- пролонгированность азотирования.
Конечный результат может определяться и степенью разложения активного вещества, которая варьируется в пределах 15−45%. К тому же важно учитывать одну особенность: чем выше температурные показатели, тем хуже прочностные показатели азотного слоя, но выше скорость диффузии. Твёрдость обусловлена коагуляцией нитридов.
Чтобы «выжать» из процедуры максимум положительных свойств и сократить время на обработку, некоторые металлурги практикуют двухэтапный режим работы. На начальном стадии стальную заготовку обогащают азотом под воздействием температуры 525 градусов. Этого вполне достаточно для обогащения верхних слоёв и повышения твёрдости.
Следующий этап подразумевает применение более высокого температурного режима от 600 до 620 градусов Цельсия. В данном случае глубина полученного слоя доходит до заданных значений, а весь процесс ускоряется практически в два раза. Тем не менее показатели твёрдости остаются аналогичными, как и при одноступенчатой обработке.
Разновидности обрабатываемой стали
Современная металлургия использует технологию азотирования для обработки углеродистых и легированных сталей, где доля углерода составляет 0,3−0,5%. Высокую успешность процедуры можно заметить при выборе легирующих металлов, способных создавать нитриды с высокими показателями термостойкости и твёрдости. Для примера, особая результативность процесса характерна при использовании тех конструкций, в составе которых сосредоточен алюминий, молибден, хром и другое подобное сырье. Подобные стальные заготовки принято называть нитраллоями.
Молибден способен предупреждать отпускную хрупкость, которая вызывается медленным остыванием стали после успешного завершения обработки. В итоге материал обретает следующие характеристики:
- Твердость углеродистой стали — HV 200−250;
- Легированной — HV 600−800;
- Нитраллоев до HV 1200 и даже выше;
Рекомендуемые марки
Выбор конкретных марок стали определяется сферой эксплуатации элемента из металла. В основном металлурги выделяют следующие критерии:
Если вам необходимо получить детали с высокими показателями поверхностной твердости, выбирайте марку 38Х2МЮА. Она отличается высоким содержанием алюминия, который вызывает низкую деформационную стойкость изделия. Если в стали отсутствует алюминий, это негативно сказывается на твёрдости и износостойкости, хотя расширяет сферы применения и позволяет воспроизводить самые сложные конструкции и заготовки;- При станкостроении используются улучшаемые марки легированной стали 40Х, 40ХФА;
- Если речь идёт об изготовлении деталей с высоким риском циклических нагрузок на изгиб, используйте продукцию под марками 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА;
- Что касается топливных агрегатов, где требуется применение сложнейших металлических изделий с высокой точностью изготовления, то есть смысл остановить свой выбор на модели 30Х3МФ1;
Этапы процедуры
Подготовительный этап, обработку азотом и финишное завершение поверхностного слоя стали и сплавов выполняют с помощью нескольких ступеней:
- Подготовка метала путём термической обработки, в процессе которой выполняется закалка и высокий отпуск. Внутренность изделия обретает характерную вязкость и прочность. Закалку проводят под воздействием высоких температур, вплоть до 940 градусов. В дальнейшем материал поддают охлаждению в масле или воде. Отпуск выполняется при температурном режиме 600−700 градусов Цельсия, чего достаточно для обретения повышенной твёрдости;
- Что касается механической обработки заготовок, то её завершают методом окончательной шлифовки материала. В конечном результате деталь обретает нужные размеры;
- Важно обеспечить ряд предохранительных мер для тех элементов, которые должны насыщаться азотом. В процессе обработки применяют простые составы вроде жидкого стекла или олова, которые наносятся путём электролиза слоем не больше 0,015 миллиметров. Это позволяет сформировать тонкую пленку, непроницаемую для азота;
- Следующий этап подразумевает азотирование по упомянутой выше технологии;
- На финишном этапе детали доводят до ожидаемого состояния, а заготовки сложной формы с тонкими стенками упрочняют при температуре 520 градусов Цельсия.
Что касается изменения геометрических свойств заготовки после азотирования, то оно определяется толщиной полученного азотонасыщенного слоя и примененными температурами. В любом случае отклонения от ожидаемой формы незначительные.
Важно понимать, что современная технология обработки путём азотирования подразумевает использование печей шахтного типа. Максимальные температурные показатели достигают 700 градусов, поэтому циркуляция воздуха становится принудительной. Муфель бывает встроенным в печь или сменным.
При использовании дополнительного муфеля процесс обработки происходит гораздо быстрее. В итоге запасной муфель загружается сразу по готовности первого. Правда, такой способ не получил широкое распространение из-за высокой затратности.
Варианты сред для обработки
В настоящее время особо большим спросом пользуется азотная обработка стальных заготовок в аммиачно-пропановой среде. В таком случае у металлургов появляется возможность выдерживать сырье под воздействием 570 градусов на протяжении трёх часов. Образованный в таких условиях карбонитридный слой обладает минимальной толщиной, однако показатели прочности и износостойкости гораздо выше, нежели у тех вариантов, которые были изобретены по обычной методике. Твёрдость данного слоя находится в пределах 600−1100 HV.
Технология по-особому незаменима при выборе изделий из легированных сплавов или стали, к которым предъявляются высокие требования по эксплуатационной выносливости.
Также не менее популярным решением является применение технологии тлеющего разряда, когда материал упрочняют в азотсодержащей разряженной среде, подключая металлические изделия к катоду. В результате заготовка обретает отрицательно заряженный электрод, а у муфеля — положительно заряженный.
Технология позволяет сократить продолжительность действия в несколько раз. Между плюсом и минусом появляется разряд, а ионы газа воздействуют на поверхность катода, нагревая его. Такое воздействие осуществляется несколькими этапами:
- изначально происходит катодное распыление;
- затем очистка поверхности;
- затем насыщение.
На первом этапе распыления выдерживают давление 0,2 миллиметра ртутного столба и напряжение 1400 вольт на протяжении 5−60 минут. В таком случае поверхность нагревается до 250 градусов Цельсия. Второй этап подразумевает использование давления 1−10 миллиметров ртутного столбика при напряжении 400−1100 В. Для процедуры требуется 1−24 часа.
Ещё одним очень эффективным методом обработки является тенифер-процесс, который подразумевает азотирование в жидкости на основе расплавленного цианиста под воздействием температуры 570 градусов Цельсия.
Преимущества технологии
В настоящее время технология азотирования считается самым популярным решением для достижения самых лучших эксплуатационных показателей металлических деталей. При правильном подходе обеспечивается наилучшее сопротивление изнашиванию, к тому же полученные в результате подобной обработки слои обретают высокую сопротивляемость коррозийному воздействию. Прошедшие обработку конструкции не нуждаются в дополнительной термической закалке. За счёт таких особенностей азотирование принято считать ключевым процессом обработки элементов в машиностроении, станкостроении и других сферах, где предъявляются высокие требования к составным частям.
Однако, кроме многочисленных плюсов, у технологии есть и минусы, которые заключаются в дороговизне и продолжительности процедуры. При температурном режиме 500 градусов Цельсия азот способен проникать на 0,01 миллиметров. В таком случае общая длительность процесса достигает одного часа.
