Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Азотування сталі являє собою відносно нову технологію дифузного насичення поверхневого шару азотом. Її автором став академік Н. П. Чижевський, який запропонував застосовувати унікальну методику для істотного поліпшення робочих властивостей і параметрів сталевої продукції. До 20-х років минулого століття спосіб не використовувався в промисловому масштабі.

принцип процесу

Якщо порівнювати азотування з традиційною цементацией, то перший варіант пропонує безліч вагомих переваг, нехарактерних для інших технологій. З цієї причини його досі вважають найкращим і ефективним способом обробки сталевих конструкцій з метою отримання максимальних показників міцності без застосування додаткової термообробки. Плюсом методики прийнято вважати збереження колишніх розмірів заготовки, що дозволяє застосовувати її вже до готових виробів, що пройшли термічну загартування з високим відпусткою і шліфування до остаточної форми. Успішне завершення азотування дозволяє проводити кінцеву полірування й іншу обробку.

Процес виконується під впливом аміаку, який нагрівається до певних температур. В результаті матеріал піддається насиченню азотом і знаходить масу унікальних властивостей, включаючи:

  • поліпшену зносостійкість металевих деталей, яка забезпечується підвищенням індексу твердості їх поверхневого шару;
  • більш високу витривалість або втомну міцність заготовки;
  • придбання стійкою антикорозійного захисту, яка залишається незмінною навіть при впливі з водою, повітрям і газоповітряної середовищем.

Минулі азотну обробку деталі набагато якісніше, ніж аналогічні вироби, котрі піддалися цементації. Відомо, що після другої процедури шар зберігає стабільну твердість лише за умов, що температурні показники не перевищують 225 градусів. У випадку з азотом максимальний поріг досягає 550-600 градусів. Це пояснюється виробленням поверхневого шару, який в кілька разів міцніше, ніж традиційна гарт і цементація.

Механізм азотної обробки стали

Процедуру виконують в нагрітій до 500-600 градусів Цельсія герметично закритому середовищі з заліза, яку встановлюють в піч. Точні показники температури муфелі (закритою реторти) визначаються режимом і очікуваним результатом. Те ж саме стосується часу процедури. У контейнері розміщуються елементи зі сталі, які будуть насичуватися азотом.

В процесі виконання дії в реторту з балона подається аміак, який характеризується здатністю дисоціації (розкладання) під впливом певної температури. Механізм азотування можна описати наступною формулою: 2 NH3 → 6H + 2N.

В результаті на поверхні залізних виробів утворюється шар нітриду, для яких характерна особлива твердість. Як тільки процедура завершується, піч охолоджують разом з потоком аміаку. Подібними діями вдається закріпити ефект по твердості шару і запобігти окисленню поверхні.

Товщина нітрідная шару досягає 0, 3-0, 6 міліметрів. В результаті необхідність в термічній обробці для поліпшення показників міцності банально пропадає. Формування азотного шару виконується за складною схемою, проте, шляхом тривалих досліджень металурги вивчили її максимально докладно. У сплаві виникають наступні фази:

  • Твердий розчин Fe3N з часткою азоту 8, 0-11, 2%;
  • Твердий розчин Fe4N з часткою азоту 5, 7-6, 1%;
  • Розчин N в α-залізі.

Якщо вдається довести процес до температури 591 градусів Цельсія, це дозволяє помітити ще одну α-фазу. При досягненні ліміту насичення виникає ще одна фаза. Евтектоїдний розпад виробляє 2, 35% азоту.

Які чинники впливають на азотування

Ключове вплив на процедуру роблять наступні фактори:

  • температурний режим;
  • тиск газу;
  • пролонгованість азотування.

Кінцевий результат може визначатися і ступенем розкладання активної речовини, яка варіюється в межах 15-45%. До того ж важливо враховувати одну особливість: чим вище температурні показники, тим гірше показники міцності азотного шару, але вище швидкість дифузії. Твердість обумовлена коагуляцией нітридів.

Щоб «вичавити» з процедури максимум позитивних властивостей і скоротити час на обробку, деякі металурги практикують двоетапний режим роботи. На початковому стадії сталеву заготовку збагачують азотом під впливом температури 525 градусів. Цього цілком достатньо для збагачення верхніх шарів і підвищення твердості.

Наступний етап передбачає застосування більш високого температурного режиму від 600 до 620 градусів Цельсія. В даному випадку глибина отриманого шару доходить до заданих значень, а весь процес прискорюється практично в два рази. Проте показники твердості залишаються аналогічними, як і при одноступінчастої обробці.

Різновиди оброблюваної стали

Сучасна металургія використовує технологію азотування для обробки вуглецевих і легованих сталей, де частка вуглецю становить 0, 3-0, 5%. Високу успішність процедури можна помітити при виборі легуючих металів, здатних створювати нітриди з високими показниками термостійкості і твердості. Для прикладу, особлива результативність процесу характерна при використанні тих конструкцій, в складі яких зосереджений алюміній, молібден, хром та інші подібні сировину. Подібні сталеві заготовки прийнято називати нітраллоямі.

Молібден здатний попереджати відпускну крихкість, яка викликається повільним охолодженням стали після успішного завершення обробки. В результаті матеріал набуває наступні характеристики:

  • Твердість вуглецевої сталі - HV 200-250;
  • Легованої - HV 600-800;
  • Нітраллоев до HV 1200 і навіть вище;

Рекомендовані марки

Вибір конкретних марок сталі визначається сферою експлуатації елемента з металу. В основному металурги виділяють наступні критерії:

  • Якщо вам необхідно отримати деталі з високими показниками поверхневої твердості, вибирайте марку 38Х2МЮА. Вона відрізняється високим вмістом алюмінію, який викликає низьку деформаційних стійкість вироби. Якщо в стали відсутній алюміній, це негативно позначається на твердості і зносостійкості, хоча розширює сфери застосування і дозволяє відтворювати найскладніші конструкції і заготовки;
  • При верстатобудуванні використовуються покращувані марки легованої сталі 40Х, 40ХФА;
  • Якщо мова йде про виготовлення деталей з високим ризиком циклічних навантажень на вигин, використовуйте продукцію під марками 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА;
  • Що стосується паливних агрегатів, де потрібне застосування складних металевих виробів з високою точністю виготовлення, то є сенс зупинити свій вибір на моделі 30Х3МФ1;

етапи процедури

Підготовчий етап, обробку азотом і фінішне завершення поверхневого шару сталі і сплавів виконують за допомогою декількох ступенів:

  • Підготовка металу шляхом термічної обробки, в процесі якої виконується гарт і високий відпустку. Середина вироби знаходить характерну в'язкість і міцність. Загартовування проводять під впливом високих температур, аж до 940 градусів. Надалі матеріал піддають охолодженню в маслі або воді. Відпустка виконується при температурному режимі 600-700 градусів Цельсія, чого достатньо для здобуття підвищеної твердості;
  • Що стосується механічної обробки заготовок, то її завершують методом остаточної шліфовки матеріалу. В кінцевому результаті деталь знаходить потрібні розміри;
  • Важливо забезпечити ряд запобіжних заходів для тих елементів, які повинні насичуватися азотом. В процесі обробки застосовують прості склади на кшталт рідкого скла або олова, які наносяться шляхом електролізу шаром не більше 0, 015 міліметрів. Це дозволяє сформувати тонку плівку, непроникну для азоту;
  • Наступний етап передбачає азотування за згаданою вище технології;
  • На фінішному етапі деталі доводять до очікуваного стану, а заготовки складної форми з тонкими стінками упрочняют при температурі 520 градусів Цельсія.

Що стосується зміни геометричних властивостей заготовки після азотування, то воно визначається товщиною отриманого азотонасищенного шару і застосованими температурами. У будь-якому випадку відхилення від очікуваної форми незначні.

Важливо розуміти, що сучасна технологія обробки шляхом азотування має на увазі використання печей шахтного типу. Максимальні температурні показники досягають 700 градусів, тому циркуляція повітря стає примусовою. Муфель буває вбудованим в піч або змінним.

При використанні додаткового муфеля процес обробки відбувається набагато швидше. В результаті запасний муфель завантажується одразу по готовності першого. Правда, такий спосіб не набув широкого поширення через високу затратність.

Варіанти середовищ для обробки

В даний час особливо великим попитом користується азотна обробка сталевих заготовок в аміачно-пропанового середовищі. В такому випадку у металургів з'являється можливість витримувати сировину під впливом 570 градусів протягом трьох годин. Утворений в таких умовах карбонітридним шар володіє мінімальною товщиною, проте показники міцності і зносостійкості набагато вище, ніж у тих варіантів, які були винайдені за звичайною методикою. Твердість даного шару знаходиться в межах 600-1100 HV.

Технологія по-особливому незамінна при виборі виробів з легованих сплавів або сталі, до яких пред'являються високі вимоги по експлуатаційної витривалості.

Також не менш популярним рішенням є застосування технології тліючого розряду, коли матеріал упрочняют в азотовмісних розрядженою середовищі, підключаючи металеві вироби до катода. В результаті заготовка набуває негативно заряджений електрод, а у муфеля - позитивно заряджений.

Технологія дозволяє скоротити тривалість дії в кілька разів. Між плюсом і мінусом з'являється розряд, а іони газу впливають на поверхню катода, нагріваючи його. Такий вплив здійснюється кількома етапами:

  • спочатку відбувається катодного розпилення;
  • потім очищення поверхні;
  • потім насичення.

На першому етапі розпилення витримують тиск 0, 2 міліметра ртутного стовпа і напруга 1400 вольт протягом 5-60 хвилин. В такому випадку поверхня нагрівається до 250 градусів Цельсія. Другий етап передбачає використання тиску 1-10 міліметрів ртутного стовпчика при напрузі 400-1100 В. Для процедури потрібно 1-24 години.

Ще одним дуже ефективним методом обробки є теніфер-процес, який має на увазі азотування в рідини на основі розплавленого ціаністий під впливом температури 570 градусів Цельсія.

переваги технології

В даний час технологія азотування вважається найпопулярнішим рішенням для досягнення найкращих експлуатаційних показників металевих деталей. При правильному підході забезпечується оптимальне опір зношування, до того ж отримані в результаті подібної обробки шари знаходять високу опірність корозійному впливу. Минулі обробку конструкції не потребують додаткової термічної загартуванню. За рахунок таких особливостей азотування прийнято вважати ключовим процесом обробки елементів в машинобудуванні, верстатобудуванні та інших сферах, де пред'являються високі вимоги до складових частин.

Однак, крім численних плюсів, у технології є і мінуси, які полягають в дорожнечі і тривалості процедури. При температурному режимі 500 градусів Цельсія азот здатний проникати на 0, 01 міліметрів. У такому випадку загальна тривалість процесу досягає однієї години.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Металообробка