Типы сред при азотировании
Процесс азотирования стали в реальности проводят не по одной, а по нескольким технологиям, отсюда разнообразие видов азотирования. Это связано с тем, что для одних типов металлов более эффективно усваивается азот в одной среде, для других – в другой. Но это не главное. Среда позволяет получить определенное качество поверхности либо изменить скоростной режим выполнения операции по азотированию стали. Наиболее распространенные технологии, которые используются на предприятиях:
- диффузия азота в среде газовой на основе пропана с аммиаком;
- диффузия азота при использовании разряда тлеющего;
- диффузия азотная в среде жидкого характера.
Аммиачно-пропановая среда
Азотирование в газе из смеси пропана с аммиаком сейчас наиболее применимый способ укрепления поверхности стали. Соотношение компонентов смеси берется равнозначным, температуру по шкале Цельсия догоняют до 570 градусов выше нуля, обработку проводят на протяжении трех часов.
Полученный поверхностный слой можно охарактеризовать как высокопрочную твердую поверхность с отличной износостойкостью, и это несмотря на маленькую толщину нитридов. В численных единицах твердость изделия возрастает до показателей 1100–600 HV.
Тлеющий разряд
Другими словами, тлеющий разряд – это среда разряженного состояния при ионно-плазменном азотировании. Очень распространенный метод насыщения азотом поверхности стальных изделий. Особенностью этого метода является то, что, кроме помещения заготовки в печь муфельную, где происходит нагнетание температуры, к этой заготовке подключают электрический контакт с отрицательным потенциалом (то есть получается отрицательный электрод), положительным же электродом выступает сама печь муфельная. Ионное азотирование создает ионный поток между печью и изделием, который приобретает вид плазмы, и состоит она из элементов NH₃ или N₂. Таким образом, в поверхностный слой начинают диффундировать азотные молекулы, эффективно насыщая его.
Плазменное азотирование проходит в два этапа:
- Очищение поверхности заготовки путем распыления катода.
- Непосредственное насыщение стали азотом.
Основное преимущество метода в том, что при ионном плазменном насыщении процесс можно ускорить в несколько раз.
Жидкая среда
Кроме перечисленных двух сред для проведения операций азотирования, существует еще одна среда, подходящая для такого метода. Это жидкая среда, где применяется расплав солей цианистых, компоненты которых под действием принципа диффузии проникают в рабочий поверхностный слой металла. Условия для протекания процесса определяются высокой температурой до уровня 570 градусов по Цельсию и длительностью проведения обработки, которая может продолжаться до 3 часов (самое меньшее – 30 минут насыщения).
Обзор способов азотирования
Методы азотирования часто различают по агрегатному состоянию азота в исходном состоянии:
— жидкий: Карбонитрирование (цианирование) в расплаве солей
— газообразный: Газовое азотирование и карбонитрирование
— ионизированный газ: азотирование и карбонитрирование в плазме тлеющего разряда
Таблица 1 — Обзор способов азотирования
Названные методы азотирования имеют, однако, свои достоинства и недостатки, которые должны приниматься во внимание при выборе азотирования как альтернативы цементации в зависимости от требуемых параметров детали и достигаемых свойств в процессе азотирования. Процесс азотирования в расплаве солей благодаря короткому времени процесса является очень гибким
Этот метод наиболее выгоден в тех случаях, когда на первом месте стоит повышение износо- и коррозионностойкости обрабатываемых поверхностей. Однако некоторые, более и менее значимые недостатки этого процесса, ограничивают применение данного метода, в особенности для больших деталей:
Процесс азотирования в расплаве солей благодаря короткому времени процесса является очень гибким. Этот метод наиболее выгоден в тех случаях, когда на первом месте стоит повышение износо- и коррозионностойкости обрабатываемых поверхностей. Однако некоторые, более и менее значимые недостатки этого процесса, ограничивают применение данного метода, в особенности для больших деталей:
— Большие затраты на мойку после азотирования
— Большие затраты на восстановление и удаление соли и моечного раствора
— Большие затраты энергии при работе ванны, что ограничивает размер ванны
— Температура обработки сильно ограничена
— Частичное азотирование трудноосуществимо
Газовое азотирование и карбонитрирование — это более универсальные процессы азотирования, которые в прошедшие 10 лет интенсивно развивались с точки зрения технологии, оборудования и систем управления. Эти два метода являются очень хорошей альтернативой цементации. В особенности при обработке крупного инструмента и зубчатых колес на основании существенного снижения температуры обработки и отсутствия дальнейшей обработки азотирование имеет экономические преимущества по сравнению с цементацией.
Несмотря на высокий технологический уровень этих методов газового азотирования, имеется несколько моментов, которые ограничивают применяемость этих методов с технических, экономических и экологических точек зрения:
— Высокое потребление газа
— Использование горючих газов, что требует специальных мероприятий по защите
— Нет возможности депассивации поверхности деталей в процессе азотирования
— Невозможно азотирование нержавеющих сталей
— Высокие расходы по нанесению и удалению специальных средств для защиты неазотируемых поверхностей
Область применения азотации стали
Машиностроительные стали
Использование азотированных сталей актуально не только в машиностроительной и станкостроительной области, но и в создании бытовых приборов – ведь потребители становятся требовательнее к качеству приобретаемых продуктов с каждым годом.
Эта методика позволяет менять характеристики не только стали, но и титановых сплавов. Высокая стоимость оборудования и сложность создания нужной среды окупается точными размерами деталей на выходе, и повышенной износостойкостью. Но есть и показатели прочности, которых нереально достигнуть методом азотации. Тогда сталь легируют, проводя глубокую обработку ее структуры. Минус такого способа – появление вредных примесей.
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:
- Если на деталь будет оказываться существенное механическое воздействие при эксплуатации, то выбирают марку 38Х2МЮА. В ее состав входит алюминий, который становится причиной снижения деформационной стойкости.
- В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
- При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
- Если при изготовлении нужно получить высокую точность линейный размеров, к примеру, при создании деталей топливных агрегатов, то используется марка стали 30ХЗМФ1. Для того чтобы существенно повысить прочность поверхности и ее твердость, предварительно проводят легирование кремнем.
Воздействие с ионами плазмы
Это метод насыщения металлов в азотсодержащем вакууме, в котором возбуждаются электрические тлеющие заряды. В качестве анодов могут служить стенки нагревательной камеры, а катодом выступают непосредственно обрабатываемые заготовки. С целью упрощения контроля слоевой структуры допускается коррекция технологического процесса. Например, могут изменяться характеристики плотности тока, степень разряжения, расход азота, уровни добавления чистого технологического газа и т. д. В некоторых модификациях плазменное азотирование стали предусматривает и подключение аргона, метана и водорода. Отчасти это позволяет оптимизировать внешние характеристики стали, но технические изменения все же отличаются от полноценного легирования. Главная разница заключается в том, что глубинные структурные изменения и коррекции производятся не только по внешним покрытиям и оболочкам изделия. Ионная обработка может затрагивать полную деформацию структуры.
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.
. . . Азотирование
— это термохимическое упрочение поверхности стальных и чугунных деталей, при которой насыщают азотом. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и получает крайне высокую микротвёрдость, значительную устойчивость к коррозии и улучшенные триботехнические свойства (уменьшение коэффициента трения). По уровню получаемой микротвёрдости азотирование превосходит цементацию и нитроцементацию. Так же — детали подвергнутые азотированию держат свою повышенную прочность при нагреве до температуры 550–600°С. Для сравнения- после цементации твердость поверхностного слоя может начать ухудшаться при нагреве детали уже свыше 225°С. В итоге можно четко констатировать — что прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации. Именно поэтому уже более 60 лет такие ответственные и подвергаемые жесткому нагреву детали ДВС как впускные и выпускные тарельчатые клапана обязательно подвергают азотированию.
. . Другой важной чертой процесса азотирования стали является то, что при этом процессе детали нагревают лишь до 500-550°С. Такой достаточно щадящий процесс термического воздействия приводит к тому, что в даталях практически не возникает термических напряжений и последующих деформаций. Именно поэтому азотированию можно подвергать детали уже изготовленные «точно в размер». В отличие от азотирования, процессы цементирования или закалки предполагают нагрев до 850-950 °С, что приводит к серьезным последующим поводкам деталей (изменению их геометрии за счет появления внутренних напряжений) и необходимости далее шлифовать такие изделия. А шлифовать термоупроченные детали с высокой поверхностной твердостью- дело очень трудоемкое и дорогое….
Особенно такой щадящий режим термовоздействия на азотируемые детали характерен для передовой методики ионно-плазменного азотирования, где нагрев идет более щадящий, чем при азотировании в газовой среде аммиака.
Поверхностная твердость обработанных сталей типа 38Х2МЮА достигает величины в 63-65 HRC (твердость по Роквеллу), стали 40Х- до 50-52 HRC .
Глубина возникающего поверхностного термоупроченного слоя составляет от 0,2 до 0,6 мм в зависимости от типа стали.
Детали после процесса азотирования. Цвет изменился- нитриды железа обладают специфическим цветом.
КАКИЕ ДЕТАЛИ ПОДВЕРГАЮТ АЗОТИРОВАНИЮ?
. . . Азотированию подвергают прежде всего такие детали различных машин и механизмов, которые подвергаются повышенному износу за счет усиленного трения в условиях значительных температур.
ШНЕКОВЫЕ ПАРЫ:
… Например — шнеки и филеры (пилотезы) шнековых прессов для выдавливания с дальнейшим формованием пластиковых изделий, либо шнеков при производстве евродров из опилок-цепы, либо шнековых прессов для отжима растительного масла, и прочих похожих шнековых прессов. Например — большая технологическая проблема шнеков для формовки и прессования евродров из цепы и опила — это очень быстрый износ формующей пары «оконечник шнека- фильера». Особенно- если формовке подвергается щепа с лесосеки, загрязненная песком, глиной и почвой, то поверхности формующей пары дешевых шнековых прессов изнашиваются за 4-6 дней, а «фирменных» прессов держатся не более месяца… После этого шнек практически уже не может выдавать продукт нормального качества и нужной геометрии…
Технология термической обработки металлов
Азотируемые детали, от которых требуется высокая твердость и износостойкость, изготовляют из сталей 38ХМЮА и 38ХВФЮА (гильзы цилиндров двигателей, шпиндели, втулки, валики и др.)-Сталь 38ХМЮА имеет высокие механические свойства (твердость после закалки НВ 420—480, после закалки и отпуска при 600— 625° С НВ 260—290), прокаливаемость до 50 мм, твердость азотированного слоя НУ 1000—1200. Сталь 38ХВФЮА содержит меньше алюминия и не имеет в своем составе дефицитного молибдена. Прочность и прокаливаемость этой стали такие же, как и стали 38ХМЮА; азотированный слой менее хрупок, но твердость его ниже (НУ 850—950).
Ответственные детали высокой прочности и вязкости, работающие в условиях повторно-переменных нагрузок (коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны и др.), изготовляют из сталей 30Х2НВФА, 18Х2Н4ВА, 40ХНВА и др. Эти стали обладают большой прокаливаемостью (например, сталь 18Х2Н4ВА при закалке с охлаждением в масле прокаливается насквозь в сечении до 120—150 мм), и поэтому их применяют для изготовления деталей больших размеров. Поверхностная твердость этих сталей после азотирования НУ 600—850.
Азотированию подвергают также детали из коррозионностой-ких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах; матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей для литья под давлением (Х12Ф1, ЗХ2В8Ф и др.); пружины из сталей 50ХФА, 60С2.
Для азотирования целесообразно применять стали, содержащие титан. В сталях с содержанием 0,25—0,4% С, имеющих соотношение Л/С от 6,5 до 9,5, получаются нехрупкие, хорошо сцепленные с основой азотированные слои твердостью НУ 850— 950.
Технология термической обработки металлов
Перед азотированием деталей из сталей 38ХМЮА, 38ХВФЮА, 40ХНВА, 18Х2Н4ВА и др. их поверхность протирают бензином или применяют электрохимический способ обезжиривания. Часто применяют также фосфатирование деталей в ваннах с раствором соли Мажеф. Образование на поверхности металла пористой фосфатной пленки (вместо окисной пленки, препятствующей диффузии азота) и некоторое растравливание поверхности увеличивает поверхностную активность металла, что ускоряет адсорбцию азота. При азотировании предварительно фосфатированных деталей глубина получаемого слоя увеличивается примерно на 6— 8%.
Для устранения окисной пленки, препятствующей проникновению азота в сталь при азотировании, рекомендуются следующие способы: а) для деталей из сталей типа 12X13 — электрообезжиривание, затем декапирование и фосфатирование; б) для деталей из сталей аустенитного класса — травление в 50—75%-ном растворе соляной кислоты при 50—60° С.
Наиболее рациональным способом является устранение окисной пленки непосредственно в печах азотирования. Для этого в муфель печи помещают коробку со смесью хлористого аммония и кварцевого песка. При нагреве до температуры азотирования хлористый аммоний диссоциирует с выделением паров хлористого водорода, которые восстанавливают окисную пленку.
Для защиты участков поверхности деталей, не подлежащих азотированию, наиболее часто применяют гальваническое лужение. Температура плавления олова (232° С) значительно ниже температуры азотирования (500—600° С), однако олово не стекает с поверхности детали благодаря силам поверхностного натяжения. Толщина слоя олова 10—15 мкм. При более толстом слое олово может перетекать на азотируемую поверхность, в результате чего в азотируемом слое будут возникать мягкие пятна. На предварительно фосфатированной поверхности олово не удерживается силами поверхностного натяжения, и поэтому мягкие пятна образоваться не могут.
Применяют также более дешевый метод защиты от азотирования — двукратное нанесение на поверхность детали жидкого стекла (толщина слоя 1—2 мм) с последующей сушкой при 100— 120° С. Недостаток такого покрытия — некоторое смещение жидкого стекла по поверхности детали и в связи с этим нарушение границы между азотируемой и неазотируемой поверхностями. После проведения указанных операций детали подвергают азотированию.
Азотирование стали
Азотированием
называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 550 0 С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 0 С.
До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют. Азотирование стальных изделий проводят интервале температур 500-620 0 С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:
В системе Fе—N при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ’-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1 % N при комнатной температуре). В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ’ (Fe4N), и α.
Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов, которые существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА.
Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений.
Тонкий слой ε-фазы (0,01 — 0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1- до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.
Типы сталей, подвергающихся азотации
При азотировании можно обрабатывать не только углеродистые стали, но также и легированные. Лучший результат при азотировании показывают сплавы, которые имеют в составе различные легирующие составляющие, формирующие термоустойчивые и твёрдые нитриды. К данным составляющим относят различные элементы, в том числе:
- молибден;
- алюминий;
- хром.
После процесса азотации стальные элементы обретают различную твердость. У углеродистых сталесплавов такой показатель равен 200-250, у легированных — 600-800.
Все легирующие компоненты, которые имеются в стали, повышают показатели твёрдости слоя, но также уменьшают его толщину. Несмотря на это азотация обеспечивает сохранность слоя в течение длительного времени. Больше всего на толщину слоя оказывают непосредственное влияние:
- вольфрам;
- молибден;
- хром;
- никель.
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:
- 38Х2МЮА. Данный сталесплав после азотирования характеризуется очень высокой твердостью поверхностного слоя. Благодаря алюминию, который имеется в составе сталесплава, снижается деформационная стойкость готовых элементов и повышается твердость и износостойкость. Если из состава стали исключается алюминий, то в итоге возможно создавать стальные элементы с более сложной конфигурацией.
- 40Х, 40ХФА. Эти стали применяются исключительно для производства стальных деталей, использующихся при станкостроении. Характеристики сталелитейных изделий позволяют выдерживать им серьезную нагрузку, а также отличаться повышенной износостойкостью.
- 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА. Применяются при изготовлении различных элементов, которые в процессе эксплуатации подвергаются нагрузкам на изгиб.
- 30Х3МФ1. Эта сталь используется в изделиях, которым предъявляется высокая точность в геометрических параметрах. Для придания повышенной твердости в данный сплав также могут добавлять кремний. Это актуально при изготовлении деталей для топливного оборудования.
Технологическая схема азотации
Хоть азотация может выполняться различными способами, но схема подготовки материалов и технологических операций практически идентична. Существует несколько вариантов азотирования:
- газовое;
- инновационное плазменное;
- ионное.
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.
