Стали которые подвергаются азотированию это?

Азотируемые марки стали. Эффективность и ключевые особенности технологии

Азотирование представляет собой процесс насыщения металлов азотом. При этом азотируемые марки стали подбираются с учетом требований технологии, что является крайне важным критерием для улучшения основных характеристик деталей. Азотирование часто применяется на отечественных предприятиях, которые занимаются изготовлением комплектующих для сборки автомобильных и промышленных агрегатов. Использование данной технологии позволяет повысить твердость, усталостную прочность и стойкость изделий.

Особенности технологии азотирования

Технология подразумевает собой насыщение структуры стали азотом. При этом отсутствует значительное термическое воздействие на деталь, что исключает возникновение любых деформаций. Методика азотирования отлично подходит для сталей, которые прошли предварительную закалку и механическую обработку с учетом требуемых геометрических размеров. Изначально стальные изделия помещаются в муфель. Герметичная емкость опускается в специальную печь, где происходит нагрев до 500-600 °C. При этом время выдержки зависит от конкретных требований. С целью формирования рабочей среды внутрь печи подается аммиак под давлением, который распадается на атомарный азот.

Существуют определенные азотируемые марки стали, которые допускают применение данной технологии обработки. При правильном подборе металлов на поверхности деталей образуются нитриды. Новый слой отличается крайне высокой твердостью. После проведения данных процедур обрабатываемые детали подвергают плавному охлаждению. Слой нитридов может иметь толщину около 0,3-0,6 мм. Данных параметров достаточно, чтобы готовая деталь смогла эксплуатироваться в наиболее жестких условиях. Стоит отметить, что азотирование является конечным этапом любой обработки металлов. После покрытия поверхности стали нитридами дополнительное упрочнение не потребуется.

Ключевые преимущества технологии:

  • высокая скорость обработки;
    • повышение твердости деталей;
    • отсутствие высокой температуры;
    • повышение устойчивости к износу;
    • увеличение стойкости к коррозии.

Большим преимуществом является то, что все детали после азотирования способны сохранять прочностные свойства при нагреве до 500-600 градусов. При обычной цементации стальные изделия теряют прочность уже на 200-220 °C. Поэтому данная методика является актуальной для целого ряда производств, которые занимаются металлообработкой.

Какие стали подлежат азотированию?

Все азотируемые стали всегда указываются в соответствующей документации. На практике подобной обработке могут подвергаться все разновидности легированных и углеродистых сталей. Последние имеют порядка 0,3-0,5 % углерода в основном составе. Однако наибольшей эффективности можно добиться тогда, когда в основу стали входят легированные добавки. К таким добавкам относятся алюминий, молибден и хром. Элементы способны повышать прочность слоя, который образуется после проведения процедуры азотирования.

Для азотирования применяются следующие стали:

  • 38Х2МЮА — материал характеризуется крайне высокой наружной прочностью. В структуре присутствует алюминий, который снижает устойчивость деталей к механическим воздействиям. Одновременно элемент повышает твердость и стойкость к коррозии по внешней оболочке. Сталь данного типа применяется для изготовления деталей сложной конфигурации;
  • 40Х, 40ХФА — вариант легированных сталей. Материал часто применяется для производства элементов станочного и инструментального оборудования;
  • 38ХН3МА (включая марки 30Х3М, 38ХНМФА и 38ХГМ) — сталь подходит для производства деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам на изгиб;
  • 30Х3МФ1 — сталь применяется для производства целого ряда различных комплектующих и узлов, которые имеют точные и наиболее сложные геометрические параметры. Для дополнительной прочности в состав часто добавляется кремний.

режимы азотирования сталей

Качество азотирования зависит от давления газа, продолжительности выдержки, а также температуры, которая используется при обработке стальных деталей. Стоит отметить, что степень диссоциации аммиака напрямую влияет на эффективность процедуры.

Что такое азотирование стали: назначение, технологический процесс, виды

Уделим внимание популярному сегодня методу укрепления заготовок. Подробно рассмотрим технологический процесс азотирования стали, со всеми его основными видами и особенностями. Отдельно разберем факторы влияния и зависимость среды – чтобы вы понимали, какому способу отдавать предпочтение в той или иной ситуации.

Сразу отметим возможность проведения широкого ряда сопутствующих операций. Не составляет труда предварительно закалить будущее изделие, выполнить нужный отпуск и шлифовку. На завершающем же этапе без проблем осуществляется полировка. Финансовые и трудовые затраты на реализацию всего цикла сравнительно небольшие, поэтому он востребован и популярен на предприятиях самых разных промышленных масштабов.

Суть технологии и ее назначение

Метод сводится к термической обработке детали в среде, непрерывно насыщаемой аммиаком. Она проводится в условиях полной герметичности – в специальной камере-печи.

В результате проведения такой операции материал заготовки приобретает следующие качественные изменения:

  • Значительно повышается прочность поверхностных слоев, за счет чего серьезно увеличивается износостойкость конечного продукта.
  • Снижается вероятность возникновения усталостных изменений.
  • Возрастает стойкость к коррозии, агрессивным средам, деструктивным воздействиям различных веществ, позволяющая выдерживать даже прямые контакты с ними.

Очень важно, что при этом изделие не подвергается какому-то экстремальному нагреву и его геометрические показатели остаются такими же. Как раз это свойство и позволяет предварительно подготовить элемент – отшлифовать, выполнить отпуск с максимальной точностью.

Еще один ключевой момент в том, что все приобретенные качества отличаются высокой стабильностью. Так, например, твердость не снижается ни со временем, ни под воздействием температур, а вот после цементации подобный эффект достаточно часто наблюдается уже при 225 0С.

На практике назначение азотирования стали сводится к полезному изменению эксплуатационных характеристик металла. В результате правильного проведения термического укрепления заготовка служит как минимум в 1,5-2 раза дольше, чем после «классической» закалки.

Да, в зависимости от выбранного способа (их мы рассмотрим ниже) конечные показатели предмета могут несколько отличаться. Но важно, что они остаются неизменными даже при резком изменении условий использования, например, при нагреве до 400-500 0С. Потому что обработанные по-другому элементы в столь жестких условиях выходят из строя уже не в 1,5-2, а в 5-10 раз быстрее.

Виды азотирования сталей

Все существующие сегодня варианты могут отличаться между собой по следующим параметрам:

  • используемая среда;
  • специфика выделения нитридных соединений;
  • температурный режим.

В каждом из этих случаев газ проникает в материал заготовки за счет диффузии. Скорость данного молекулярного обмена сегодня можно увеличить, а эффективность сцепления – повысить. Укрепление может быть реализовано одним из трех способов, и если насыщение в цианистых солях не очень популярно, то другие два используются гораздо чаще, обладают своими особенностями и поэтому заслуживают самого подробного рассмотрения.

Газовая азотация стали

Это каталитическое насыщение: в печи создается и поддерживается стабильная атмосфера, при которой с помощью активного элемента запускают реакцию с диссоциированным нитритом. В результате диффузия происходит сравнительно быстро, и газ эффективно проникает в толщу материала.

Есть два нюанса:

  • Оборудование для воплощения этого метода в жизнь должно создавать особенный микроклимат и поэтому оно сравнительно сложное.
  • Во время упрочнения выделяется значительное количество ионизированных радикалов, что приводит к повышению твердорастворной доли.

Относительным недостатком способа является дороговизна его реализации, зато он обеспечивает максимальные параметры износостойкости. Поэтому он востребован при изготовлении элементов для особо ответственных производственных линий и объектов.

Термохимический процесс

В рамках этой технологии азотирования стали используется чистый аммиак, а не его смесь с пропаном и эндогазом, как в предыдущем случае. Подача среды осуществляется из баллона в муфель (герметичный бокс), в котором уже должны быть предварительно уложены заготовки. Этот резервуар в свою очередь отправляют в печь, а в ней поддерживается стабильно нужная температура. Под воздействием горячего воздуха составной газ начинает распадаться на элементы. Содержащийся в нем азот проникает в материал заготовки, причем постепенно – тем глубже, чем дольше выполняется обработка. Результат – ровный и однородный укрепляющий слой в 0,5-0,6 мм.

Как осуществляют процесс азотирования поверхности

В общем случае технология реализуется в 5 этапов:

  1. Выполняется подготовка, то есть закалка и отпуск. На этой стадии перестраивается атомная решетка материала, он приобретает вязкость, а после упрочняется – в результате охлаждения, в масле или в воде, в зависимости от требований к качеству конечного изделия.
  2. Производится механическая обработка с доведением заготовки строго до необходимой геометрической формы, с приданием ей нужных размеров.
  3. Предохраняются отдельные участки изделия – на них наносится олово или жидкое стекло, тонким слоем до 0,015 мм, образующее защитную пленку.
  4. Осуществляется непосредственное повышение прочности металла, путем насыщения его азотом – по одному из рассмотренных выше методов, либо газовым, либо термохимическим.
  5. Выполняется финишная отделка – для снятия ранее сделанного покрытия и финальной шлифовки.
Читайте также  В каких целях применяется медь?

В результате такого укрепления предмет не требует дальнейшего закаливания – благодаря нитриду, ровно ложащемуся на 0,3-0,6 мм. Несмотря на относительную новизну, все реакции и механизмы процесса уже отлично изучены. Чтобы добиться максимальной эффективности, необходимо учитывать ключевые особенности проведения работ.

  • Температура и продолжительность проведения операции могут несколько отличаться в зависимости от конкретного случая азотирования: структура стали разных марок требует различного времени на стабилизацию решетки.
  • Средний показатель, которого стоит достигать – 600 0С – такой жар создается в промышленной печи, в нее и отправляют детали, предварительно уложив их в герметичный бокс (муфель).
  • Подавать аммиак в данный контейнер безопаснее всего из баллона – в столь экстремальном микроклимате газ начнет распадаться на молекулы, часть которых и будет оседать на заготовке, диффундируя с ее материалом.
  • Активно образующиеся нитриды должны осаждаться на предварительно подготовленную, то есть очищенную плоскость – чтобы они могли создать действительно ровный упрочняющий слой со стабильными характеристиками.
  • Проводить процедуру рекомендуется без резкого охлаждения – это поможет избежать окисления изделия; и это удобно, так как выполнять операцию укрепления можно уже после отпуска.

Факторы, влияющие на азотацию

Всего их 3, и это:

  1. температура выполнения операции;
  2. давление направляемого в муфель газа;
  3. время выдержки заготовки в специальной печи.

Также стоит отметить важную роль диссоциации аммиака: стандартной считается степень разделения в 15-45%. Обратите внимание, при более интенсивном нагреве диффузия убыстряется, но прочность создаваемого слоя уменьшается. Это объясняется коагуляцией нитридов – сталкиваясь на скорости, молекулы легирующих добавок слипаются между собой чаще, чем в нормальной ситуации.

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:

  1. Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
  2. Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
  3. Во многих производствах применение азотирования связано с необходимостью придания антикоррозионной стойкости, которая сохраняется при контакте с водой, паром или воздухом с повышенной влажностью.

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:

  1. В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
  2. Рассматривая режимы азотирования, следует учитывать температуру и время выдержки. Для разных сталей эти показатели будут существенно отличаться. Также выбор зависит от того, каких эксплуатационных качеств нужно достигнуть.
  3. В созданный контейнер из металла проводится подача аммиака из баллона. Высокая температура приводит к тому, что аммиак начинает разлагаться, за счет чего начинают выделяться молекулы азота.
  4. Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
  5. Процедура химико-термического воздействия в данном случае не предусматривает резкое охлаждение. Как правило, печь для азотирования охлаждается вместе с потоком аммиака и деталью, за счет чего поверхность не окисляется. Поэтому рассматриваемая технология подходит для изменения свойств деталей, которые уже прошли финишную обработку.

Цех ионно-вакуумного азотирования

Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:

  1. Подготовительная термическая обработка, которая заключается в закалке и отпуске. За счет перестроения атомной решетки при заданном режиме структура становится более вязкой, повышается прочность. Охлаждение может проходить в воде или масле, иной среде – все зависит от того, насколько качественным должно быть изделие.
  2. Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
  3. В некоторых случаях есть необходимость в защите определенных частей изделия. Защита проводится путем нанесения жидкого стекла или олова слоем толщиной около 0,015 мм. За счет этого на поверхности образуется защитная пленка.
  4. Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
  5. Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.

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:

  1. 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.
  2. В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
  3. При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
  4. 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.

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:

  1. Аммиачно-пропановая среда. Газовое азотирование сегодня получило весьма большое распространение. В данном случае смесь представлена сочетанием аммиака и пропана, которые берутся в соотношении 1 к 1. Как показывает практика, газовое азотирование при применении подобной среды требует нагрева до температуры 570 градусов Цельсия и выдержки в течение 3-х часов. Образующийся слой нитридов характеризуется небольшой толщиной, но при этом износостойкость и твердость намного выше, чем при применении классической технологии. Азотирование стальных деталей в данном случае позволяет повысить твердость поверхности металла до 600-1100 HV.
  2. Тлеющий разряд – методика, которая также предусматривает применение азотсодержащей среды. Ее особенность заключается в подключении азотируемых деталей к катоду, в качестве положительного заряда выступает муфель. За счет подключение катода есть возможность ускорить процесс в несколько раз.
  3. Жидкая среда применяется чуть реже, но также характеризуется высокой эффективностью. Примером можно назвать технологию, которая предусматривает использование расплавленного цианистого слоя. Нагрев проводится до температуры 600 градусов, период выдержки от 30 минут до 3-х часов.
Читайте также  Чем припаять медь к нержавейке?

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:

  1. Предварительная подготовка аммиака позволяет увеличить долю твердорастворной диффузии, что снижает долю реакционных химических процессов при переходе активного вещества от окружающей среды в железо.
  2. Предусматривает применение специального оборудования, которое обеспечивает наиболее благоприятные условия химической обработки.

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:

  1. Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
  2. Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
  3. Нитраллои, которые имеют в составе алюминий, хром и другие металлы, могут получить твердость до 1200HV.

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: особенности технологии и марки стали для азотирования

Содержание статьи:

Процесс азотирования стали предполагает насыщение поверхностного слоя металла азотом атомарного типа. Цель обработки – оптимизация характеристик прочности, твердости, износостойкости, устойчивости к коррозии без существенного воздействия температур и изменения параметров металлического изделия. Азотирование допускается к применению для уже закаленных, обработанных и отшлифованных заготовок. Обрабатывать поверхность можно и после ХТО. Ключевое достоинство технологии в сравнении с цементацией заключается в возможности оптимизации показателей твердости, которые остаются стабильными даже при температурном воздействии в пределах 450-500°C. Процесс осуществляется при повышенной температуре в среде обогащенной аммиаком.

Технологический процесс

Азотирование стали при помощи газовой технологии состоит из нескольких этапов:

  1. Предварительная термообработка (закаливание металла и высокий отпуск).
  2. Обрабатывание механическим способом.
  3. Обеспечение защиты в местах, которые не подвергаются упрочнению.
  4. Непосредственно, азотирование. Изделия размещаются в специальном герметичном муфеле, который, впоследствии устанавливается в печь, разогреваемую в пределах 500-600°C. В емкость подается аммиак, разлагающийся на атомарный азот и углеродные соединения под влиянием повышенной температуры. Азотные компоненты проникают в структуру стального сплава, образовывая нитриды, которые отличаются повышенной твердостью.
  5. Закрепляют результат и препятствуют окислению путем охлаждения заготовки, не вынимая ее из печи. Как следствие, образуется слой нитридов 0,3-0,6 мм. Дополнительное обрабатывание поверхности не предусматривается

При этом, процесс насыщения поверхностного слоя азотными соединениями можно ускорить за счет использования двухэтапной схемы:

  • изначальное азотирование осуществляется при 525°C;
  • в процессе температура постепенно повышается до 600°C.

Также существует современный аналог технологии, а именно азотирование ионно-плазменным способом. Процесс происходит в тлеющем разряде: изделие, подвергающееся обработке, подключается к катоду (электрод с отрицательным значением). В качестве анода используется муфель – емкость, в которой размещается деталь. Первая стадия предполагает очищение поверхности путем катодного распыления, а вторая – непосредственно насыщение слоя нитридами.

Марки стали для азотирования

Подобной разновидностью ХТО обрабатываются легированные и углеродистые стали, содержащие С в пределах от 0,3% до 0,5%. Особо высокую результативность обеспечивают легирующие компоненты, что способны образовать высокопрочные и устойчивые к термическому воздействию нитриды, к примеру, алюминий, молибден или же хром. Впрочем, повышающие твердость поверхностного слоя компоненты, нередко не позволяют наносить достаточно толстый слой азота на поверхность.

Для азотирования рекомендуется использовать такие марки низколегированной и легированной стали:

  • 38Х2МЮА, содержащую алюминий, который снижает стойкость заготовки к деформации и одновременно способствует повышению показателей твердости и устойчивости к износу после обработки;
  • 40Х и 40ХФА, представляющие собой сплавы низкого легирования, которые после обработки поверхности нитридами широко используются для производства станков и оборудования с нестандартными характеристиками;
  • 30Х3М, 38ХГМ и 38ХНМФА, которые используются при изготовлении деталей, функционирующих в условиях регулярных нагрузок на изгиб;
  • 30Х3МФ1, предназначенную для производства заготовок с повышенными требованиями к точности параметров (допускается обогащение сплава кремнием в целях создания конструктивных элементов топливной аппаратуры).

Азотирование стали: описание и особенности процедуры

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
  • Механизм азотной обработки стали
  • Какие факторы влияют на азотирование
  • Разновидности обрабатываемой стали
    • Рекомендуемые марки
  • Этапы процедуры
  • Варианты сред для обработки
  • Преимущества технологии

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.

Читайте также  Как припаять алюминий к нержавейке?

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.