Как и с какой целью проводится азотирование стали

Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.

Цех ионно-вакуумного азотирования

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются. Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров. После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Схема установки азотирования в тлеющем разряде

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

  • За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
  • Возрастает усталостная прочность изделия.
  • Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации. Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Как протекает процесс азотирования

Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.

Вакуумная печь для термической обработки с системой газового азотирования

Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:

2NH3 → 6H + 2N.

Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.

Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.

Классификация процессов азотирования

Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:

  • твердый раствор Fe3N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
  • твердый раствор Fe4N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
  • раствор азота, формирующийся в α-железе.

Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.

Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

  • температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
  • давление газа, подаваемого в муфель;
  • продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%. При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется. Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость. Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза. Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и легированные стали, характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%. Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками. Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Твердость сталей после азотирования

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей.

38Х2МЮА

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности. Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности. Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

40Х, 40ХФА

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

30Х3МФ1

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Характеристики некоторых сталей после азотирования

Технологическая схема азотирования

Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.

Подготовительная термообработка

Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде. Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.

Режимы термообработки перед азотированием

Механическая обработка

Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.

Защита участков изделия, которые не требуют азотирования

Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.

Выполнение самого азотирования

Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.

Рекомендуемые режимы азотирования стали

Финишная обработка

Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.

Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры. Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование. При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.

В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь. Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).

Пуансон массой более 230 кг, подвергнутый азотированной обработке

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях. Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов. Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N2 или NH3, за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.

Существует большое количество различных технологий по коррекции химического состава металла. Они предназначены для улучшения определенных эксплуатационных качеств металла. Сегодня азотирование проводят с целью насыщения поверхностного слоя изделия или заготовки азотом. Азотирование металла в промышленных масштабах стали проводить относительно недавно. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Особенности применяемой технологии

Азотирование — это насыщение поверхностного слоя стали азотом. Эту технологию довольно часто сравнивают с цементированием, но они существенно отличаются, имеют свои определенные достоинства и недостатки.

К особенностям процесса азотирования можно отнести нижеприведенные моменты:

  • Рассматриваемая технология не предусматривает сильное нагревание заготовки или изделия. За счет этого исключается вероятность образования внутренних деформаций, которые в дальнейшем приводят к появлению трещин и других дефектов.
  • Несмотря на то что азотирование не приводит к перестроению кристаллической решетки материала, твердость поверхности существенно возрастает. При этом неважно, какой металл обрабатывается.
  • При азотировании размеры обрабатываемой детали остаются практически неизменными. Этот момент определяет то, что есть возможность провести процесс насыщения структуры поверхностного слоя уже после проведения закалки с отпуском и финишной обработки.
  • После проведения азотирования часто выполняется шлифовка или другая подобная обработка.

Проводится цементация стали 40х или алюминия, других металлов и различных сплавов. О закалке стали 40x в домашних условиях читайте здесь.

Суть азотирования

Азотация проводится в газовой среде, которая наполнена концентрированным аммиаком. За счет насыщения поверхности азотом происходят следующие изменения:

  • Существенно повышается показатель твердости поверхности. Кроме этого, отмечается увеличение износостойкости.
  • Изделие обладает большой устойчивостью к усталостному сопротивлению.
  • За счет коррекции химического состава поверхностного слоя повышается и коррозионная стойкость. Стоит учитывать, что коррозионная стойкость сохраняется при контакте стали или иного сплава, к примеру, 38×2мюа с водой, паровоздушной смесью или с воздухом повышенной влажности. За счет этого существенно расширяется область применения металла.

Цементироваться могут различные металлы и изделия, однако, этот процесс характеризуется тем, что поверхность приобретает твердость неравномерно. Проведенные исследования указывают на то, что после насыщения поверхности азотом показатель прочности увеличивается не менее чем в 1,5 раза.

Технологическая схема процесса

За относительно малый срок изучения процесса насыщения металла азотом было разработано несколько эффективных технологий обработки. При любой термохимической обработке важно соблюдать режим нагрева и охлаждения, выдержки изделия.

Условно весь процесс азотирования делиться на несколько этапов:

  1. Подготовительная термическая обработка. Этот этап заключается в закалке изделия и его высоком отпуске. Зачастую сталь 45 или другой металл нагревается до температуры 940 градусов Цельсия на первичном этапе термической обработки. В последнее время охлаждение изделия проводится исключительно в масле, что позволяет избежать появления различных деформаций. Проводимый отпуск позволяет расширить область применения металла, так как упрощается процесс обработки резанием.
  2. Механический этап обработки представлен шлифованием или чистовым точением, что позволяет придать детали требуемые размеры.
  3. Часто встречается ситуация, когда нужно выполнить термохимическую обработку только определенной части изделия. В этом случае на участки, которые не должны быть подвержены обработке, наносится тонкий слой олова или жидкого стекла. Цементировать также приходится при защите части изделия путем нанесения определенных веществ.
  4. Непосредственное выполнение азотирования проводится в газовой среде. Температура нагрева и другие режимы во много зависят от геометрии обрабатываемой детали и типа металла.
  5. Финишная обработка проводится для того, чтобы довести геометрические размеры и механические качества до нужных значений.

Сегодня довольно часто применяется инновационная технология ионно-плазменного азотирования. Традиционный метод предусматривает нагрев среды до температуры не выше 700 градусов Цельсия. Поэтому подобная технология получила весьма большое распространение, так как может проводиться при использовании относительно недорогостоящего оборудования.

В заключение отметим, что для насыщения поверхностного слоя азотом создается газовая среда, которая состоит из пропана (50%) и аммиака (50%). При применении подобной среды поверхность изделия нагревается до температуры 570 градусов Цельсия. Время выдержки зависит от различных параметров, может составлять несколько часов.

Азоти́рование — это технологический процесс химико-термической обработки, при которой поверхность различных металлов или сплавов насыщают азотом в специальной азотирующей среде. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и приобретает повышенную коррозионную стойкость и высочайшую микротвёрдость. По микротвёрдости азотирование уступает только борированию, в то же время незначительно превосходя цементацию и нитроцементацию.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию[править | править код]

  • Стали углеродистые и легированные, конструкционные и инструментальные.
  • Высокохромистые чугуны, высокохромистые износоустойчивые сплавы, хром.
  • Титан и титановые сплавы.
  • Бериллий.
  • Вольфрам.
  • Ниобиевые сплавы.
  • Порошковые материалы.

Назначение азотирования[править | править код]

  • Упрочнение поверхности
  • Защита от коррозии
  • Повышение усталостной прочности
  • Снижение трения
  • Повышение задиростойкости

В зависимости от назначения используемые технологические процессы азотирования могут существенно отличаться.

Основные виды азотирования[править | править код]

Азотирование в соляных ваннах[править | править код]

Погружение и выдержка деталей в растворе расплавленных солей при температуре 530—650 градусов Цельсия (не затрагивает структурное изменение материала).

Получаемая структура поверхности имеет :

  • Толщина слоя : 0,01-0,5 мм;
  • Поверхностная твердость — 400—1200 HV
  • Снижение коэффициента трения в 1,5—5 раз;
  • Хрупкость слоя — отсутствует;
  • Повышение задиростойкости, включая нержавеющие стали;
  • Повышение усталостной прочности в 1,5—2 раза;
  • Коробление и поводки длинномерных деталей — практически отсутствуют.
  • Коррозийная стойкость может достигать 800 часов в солевом тумане.

По сравнению с другими технологиями (газовым и плазменным азотированием), азотирование в соляных ваннах имеет меньшую глубину азотируемого слоя, но имеет лучшее показатели по коррозийной стойкости и шероховатости поверхности. Основным преимуществом является возможность быстро достичь необходимых характеристик, тем самым снижая время и стоимость обработки.

Газовое азотирование[править | править код]

Насыщение поверхности металла производится при температурах от 400 °C (для некоторых сталей) до 2019 °C (аустенитные стали и тугоплавкие металлы). Средой для насыщения является диссоциированный аммиак. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при газовом азотировании сталей применяют:

  • двух-, трёхступенчатые температурные режимы насыщения
  • разбавление диссоциированного аммиака:
    • воздухом
    • реже водородом

Контрольными параметрами процесса являются:

  • степень диссоциации аммиака
  • расход аммиака
  • температура
  • расходы дополнительных технологических газов (если применяются).

Каталитическое газовое азотирование[править | править код]

Это последняя модификация технологии газового азотирования. Средой для насыщения является аммиак, диссоциированный при температуре 400—600 градусов Цельсия на катализаторе в рабочем пространстве печи. Для управления структурой и механическими свойствами слоя при каталитическом газовом азотировании сталей применяют изменение потенциала насыщения. В целом применяются более низкие температуры, чем при газовом азотировании.

Ионно-плазменное азотирование[править | править код]

Технология насыщения металлических изделий в азотсодержащем вакууме (примерно 0,01 атм.), в котором возбуждается тлеющий электрический разряд. Анодом служат стенки камеры нагрева, а катодом — обрабатываемые изделия. Для управления структурой слоя и механическими свойствами слоя применяют (в разные стадии процесса):

  • изменение плотности тока
  • изменение расхода азота
  • изменение степени разрежения
  • добавки к азоту особо чистых технологических газов:
    • водорода
    • аргона
    • метана

Азотирование из растворов электролитов[править | править код]

Использование анодного эффекта для диффузионного насыщения обрабатываемой поверхности азотом в многокомпонентных растворах электролитов, один из видов скоростной электрохимико-термической обработки (анодный электролитный нагрев) малогабаритных изделий. Анод-деталь при наложении постоянного напряжения в диапазоне от 150 до 300 В разогревается до температур 450—1050 °C. Достижение таких температур обеспечивает сплошная и устойчивая парогазовая оболочка, отделяющая анод от электролита. Для обеспечения азотирования в электролит, кроме электропроводящего компонента, вводят вещества-доноры, обычно нитраты.

Оборудование для азотирования[править | править код]

Для проведения газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи. Для подготовки аммиака перед подачей в печь используется диссоциатор.

Для проведения каталитического газового азотирования используются преимущественно шахтные, ретортные и камерные печи, оснащённые встроенными катализаторами и кислородными зондами для определения насыщающей способности атмосферы.

Для проведения процессов ионно-плазменного азотирования применяются специализированные установки, в которых происходит нагрев изделий за счёт катодной бомбардировки ионами и, собственно, насыщение.

Для азотирования из растворов электролитов применяются установки для электрохимико-термической обработки.

См. также[править | править код]

  • Химико-термическая обработка металлов

Ссылки[править | править код]

  • Азотирование // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.