Азотирование металла что это
Особенности технологии азотирования металла
Азотирование металла в промышленных масштабах стало использоваться достаточно недавно. Азотация была весьма непопулярным решением, так как ее характеристики изначально не совсем совпадали с особенностями производства. Спустя какое-то время данный вид обработки был серьезно изучен и использован ведущими предприятиями металлообрабатывающей промышленности. Промышленные масштабы обработки металла позволяют улучшить параметры готовых изделий, которые производятся из стальных сплавов. В процессе азотации поверхностный слой различных деталей из стальных сплавов насыщается азотом, что улучшает эксплуатационные свойства.
Что представляет собой азотация
Азотирование стальных сплавов очень часто сравнивают с цементацией. Несмотря на то, что результат чем-то схож, у азотации больше плюсов. Азотирование стали в данный момент применяется как основной способ для повышения устойчивости металла к различным факторам.
Во время азотирования стальные элементы не подвергаются существенному нагреванию, но во время этого поверхностный слой становится значительно тверже. Данные свойства технологии позволяют применять её при обработке деталей, прошедших закалку и уже отшлифованных. Также азотирование ещё называют азотацией, что никак не влияет на итог процедуры. После азотации стальные детали можно полировать или обрабатывать другими способами.
Все элементы установки рассчитаны на длительную эксплуатацию.
Суть процесса состоит в том, что сталь нагревается в среде аммиачных материалов. Благодаря обработке в данной среде металл имеет следующие изменения:
Азотация является единственным оптимальным способом, который позволяет добиться стабильных показателей твёрдости стали. В отличие от элементов, которые подвергались цементации, азотированные детали сохраняют свои параметры твердости при температуре 550-600 градусов. После азотации прочность металла повышается в полтора-два раза по сравнению с закалкой либо цементацией.
Факторы, влияющие на азотирование
Данные факторы являются основными параметрами, которые влияют на процесс азотирования, но также имеются и другие показатели. Например, степень диссоциации аммиачных компонентов. Обычно она находится в пределах 15-45%. При увеличении температуры в среде газовой обработки твердость может существенно снизится, но в отличие от этого диффузионные процессы азотистых составляющих ускоряются. Такие параметры обуславливаются коагуляцией нитридов легирующих компонентов, которые отмечаются в составе металла. Данные параметры обеспечивают возможность сокращения процессов обработки в несколько раз.
При необходимости ускорить процесс азотации и повысить его эффективность используют двухэтапную схему обработки металла. Такая схема подразумевает в виде первого этапа обработку металлических сплавов при температуре, которая не превышает 525 градусов. Благодаря использованию именно этой температуры стальной детали придаются высокие показатели твердости. Во второй части процесса азотирования деталь нагревается до 600-620 градусов. При таких параметрах температурного режима процесс азотирования существенно ускоряется, а глубина достигает необходимых показателей. Прочностные данные поверхностного слоя по двухступенчатой технологии не уступают соответствующим изделиям, прошедшим азотирование в одну ступень.
Типы сталей, подвергающихся азотации
После процесса азотации стальные элементы обретают различную твердость. У углеродистых сталесплавов такой показатель равен 200-250, у легированных — 600-800.
Также существуют и другие составляющие стали, но их влияние часто бывает настолько незначительным, что некоторыми показателями можно пренебречь. Прежде, чем игнорировать данные, необходимо тщательно изучить их влияние по отношению к определенному количеству стального сплава.
Марки стали для азотирования
Марки стали для азотации:
Технологическая схема азотации
Несмотря на разновидность азотирования металла результат обработки направлен на получение максимально прочного и износостойкого изделия.
Подготовительная термообработка
Данный вид обработки состоит из закалки изделия и его высоком отпуске. Закаливание стального элемента выполняется в температурном режиме выше 940 градусов. Охлаждение при подготовительной обработке производится исключительно в масле либо воде. После закалки металла при температуре 940 градусов происходит отпуск при 600-700 градусах. Обрабатываемая стальная деталь наделяется повышенной твердостью.
Механическая обработка
Операция заключается в шлифовке готовой детали. Точная геометрия деталей является залогом приобретения необходимых прочностных свойств и длительной эксплуатации её в дальнейшем.
Защита частей деталей, не подвергающихся азотации
Данный этап обработки стали необходим для защиты элементов, которые не должны азотироваться. Для защиты используется олово или жидкое стекло, которое наносится на поверхность металлической детали тонким слоем не более 0,015 мм. Технология электролиза для закрепления данных материалов обеспечивает его надежное крепление на поверхности сталесплава, а также высокую устойчивость к азотистой среде, поэтому вещество не проникает во внутреннюю структуру стальной детали.
Азотирование
Для разных марок стали нужна определенная температура нагрева. При этой температуре сталь выдерживают в течение определенного количества часов. Благодаря данным параметрам формируется слой на различной глубине, обеспечивающем определенную номинальную твердость поверхности. Для стали марки 7ХЗ температура нагрева составляет 500-520 градусов. Выдержка стали происходит в течение 48-60 часов, обеспечивается глубина слоя 0,4-0,5 мм, а номинальная твердость поверхности составляет 1000-1100.
Итоговая обработка
Данный этап обработки стали позволяет довести геометрические и механические параметры стального элемента до необходимого значения. Так как во время азотирования изменения геометрии весьма незначительно, то на финише изменения будут минимальными. Несмотря на то, что деталь подвергается минимальной температурной обработке, всё же придётся несколько доработать элементы, так как азотистый слой может несколько влиять на геометрию. Для того чтобы избежать какой-либо деформации в процессе азотации элемента, можно использовать более совершенную технологию — ионное азотирование. Технологический процесс ионно-плазменной азотации предполагает минимальные показатели воздействия температурных режимов на детали из стали, вероятность деформирования стали стремится к минимуму.
Ионно-плазменное азотирование зарекомендовало исключительно с положительной стороны. Среди плюсов стоит подчеркнуть, что азотация происходит при пониженных температурах, в отличие от традиционных вариантов. Для того чтобы осуществить ионно-плазменную азотацию, чаще всего используют сменный муфель либо вмонтированную деталь установки. Данные элементы обеспечивают ускорение процесса совершенствования металла, но не во всех случаях экономически оправданы.
Типы сред при азотировании
При азотации могут эксплуатироваться разнообразные рабочие среды. Чаще всего для осуществления процессов обработки при азотировании используется газовая смесь, которая состоит на 50% из аммиачных материалов и на 50% из пропанового газа. Также смесь может состоять в тех же в соотношениях из аммиачной смеси и эндогаза. Данная среда предназначена для обработки металлосплавов при температурном режиме не превышающим 570 градусов. При обработке металла длительность воздействия в газовой среде составляет 3 часа. Стоит подчеркнуть, что азотированный слой, который создается при такой функциональной среде, обладает небольшой толщиной, но характеризуется повышенными показателями прочности и износостойкости.
В последнее время применяют азотирование ионно-плазменным способом, которое выполняется в азотосодержащей разряженной среде. Особенность такого способа — при обработке стальных элементов их и муфель подключают к источнику электричества. Изделия в таком случае выступают в роли отрицательного электрода, а муфель — положительного. В итоге между элементом и муфелем образовывается поток ионов, происходит нагрев стальной поверхности. Также благодаря этому происходит насыщение стали нужным количеством азота.
Особенности технологии
Как и в любой технологической сталеобрабатывающей операции в азотировании имеются плюсы и минусы. Сталесплавные обработки хоть и гарантируют достижение нужных параметров, но также в отдельных ситуациях могут стать причиной ухудшения параметров эксплуатации элемента.
Выводы
Высокая популярность азотирования в различных сферах промышленности обуславливается возможностью получения стабильного результата при невысоких затратах. Наиболее распространена азотация в тяжелой промышленности, машиностроении, станкостроении. Именно в данных отраслях требуется соблюдение наилучшего соотношения трех параметров — качества, времени и стоимости.
Азотирование стали
Улучшение свойств металла может проходить путем изменения его химического состава. Примером можно назвать азотирование стали – относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, которая стала применяться в промышленных масштабах около столетия назад. Рассматриваемая технология была предложена для улучшения некоторых качеств продукции, изготавливаемой из стали. Рассмотрим подробнее то, как проводится насыщение стали азотом.
Назначение азотирования
Многие сравнивают процесс цементирования и азотирования по причине того, что оба предназначены для существенного повышения эксплуатационных качеств детали. Технология внесения азота имеет несколько преимуществ перед цементацией, среди которых отмечают отсутствие необходимости повышения температуры заготовки до значений, при которых проходит пристраивание атомной решетки. Также отмечается тот факт, что технология внесения азота практически не изменяет линейные размеры заготовок, за счет чего ее можно применять после финишной обработки. На многих производственных линиях азотированию подвергают детали, которые прошли закалку и шлифование, практически готовы к выпуску, но нужно улучшить некоторые качества.
Назначение азотирования связано с изменением основных эксплуатационных качеств в процессе нагрева детали в среде, которая характеризуется высокой концентрацией аммиака. За счет подобного воздействия поверхностный слой насыщается азотом, и деталь приобретает следующие эксплуатационные качества:
Вышеприведенная информация определяет то, что результаты азотирования более весомы, чем цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии. В большинстве случаев переданные эксплуатационные качества сохраняются даже при нагреве заготовки до температуры 600 градусов Цельсия, в случае цементирования поверхностный слой теряет твердость и прочность после нагрева до 225 градусов Цельсия.
Технология процесса азотирования
Во многом процесс азотирования стали превосходит другие методы, предусматривающие изменение химического состава металла. Технология азотирования деталей из стали обладает следующими особенностями:
Цех ионно-вакуумного азотирования
Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:
Режимы азотирования стали
Получаемый слой после азотирования, который представлен нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, за счет чего отпадает необходимость в проведении процедуры закаливания. Как ранее было отмечено, азотирование проводят относительно недавно, но сам процесс преобразования поверхностного слоя металла был уже практически полностью изучен, что позволило существенно повысить эффективность применяемой технологии.
Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию
Существуют определенные требования, которые предъявляются к металлам перед проведением рассматриваемой процедуры. Как правило, уделяется внимание концентрации углерода. Виды сталей, подходящих для азотирования, самые различные, главное условие заключается в доле углерода 0,3-0,5%. Лучших результатов достигают при применении легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла назовем насыщение поверхностного слоя сплавов, которые в составе имеют примеси в виде алюминия, хрома и другие. Рассматриваемые сплавы принято называть нитраллоями.
Микроструктура сталей после азотирования
Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:
При выборе наиболее подходящей марки стали главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, которые также оказывают существенное воздействие на эксплуатационные свойства металла.
Основные виды азотирования
Выделяют несколько технологий, по которым проводят азотирование стали. В качестве примера приведем следующий список:
В промышленности наибольшее распространение получила газовая среда за счет возможность обработки сразу большой партии.
Каталитическое газовое азотирование
Данная разновидность химической обработки предусматривает создание особой атмосферы в печке. Диссоциированный аммиак проходит предварительную обработку на специальном каталитическом элементе, что существенно повышает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии заключаются в нижеприведенных моментах:
Процесс азотирования стали
Применяется данный метод на протяжении нескольких десятилетий, позволяет изменять свойства не только металлов, но и титановых сплавов. Высокие затраты на установку оборудования и подготовку среды определяют применимость технологии к получению ответственных деталей, которые должны обладать точными размерами и повышенной износостойкостью.
Свойства азотированных металлических поверхностей
Довольно важным является вопрос о том, какая достигается твердость азотированного слоя. При рассмотрении твердости учитывается тип обрабатываемой стали:
Другие свойства стали также изменяются. К примеру, повышается коррозионная стойкость стали, за счет чего ее можно использовать в агрессивной среде. Сам процесс внесения азота не приводит к появлению дефектов, так как нагрев проводится до температуры, которая не изменяет атомную решетку.
Азотирование стали: описание и особенности процедуры
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:
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:
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:
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:
Рекомендуемые марки
Выбор конкретных марок стали определяется сферой эксплуатации элемента из металла. В основном металлурги выделяют следующие критерии:
Этапы процедуры
Подготовительный этап, обработку азотом и финишное завершение поверхностного слоя стали и сплавов выполняют с помощью нескольких ступеней:
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:
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.