Азотирование стали: технология процесса, оборудование

Содержание

Введение

Для повышения износостойкости высоконагруженных взаимодействующих поверхностей инструмента и деталей коробок передач из стали до сегодняшнего дня наиболее часто используют процесс цементации с последующей закалкой. В зависимости от способа цементации и эксплуатационных характеристик детали конструктор определяет не только материал, а и такие значения как твердость поверхности и глубина цементации. Это значит, что зубчатые колеса коробок передач, к примеру для высоконагруженных приводов ветряных электростанций, должны быть науглерожены перед закалкой при температуре свыше 900 ºС в течении довольно длительного времени, чтобы достичь глубины упрочненного слоя около 1..2 мм. Закалка после цементации ведет к изменению структуры в обрабатываемом материале и, как следствие, к изменению веса и формы. После закалки детали должны быть дополнительно отпущены для снижения внутренних напряжений и получения необходимой структуры. Для достижения требуемого качества поверхности и веса деталей после термообработки необходима дополнительная механическая обработка.

Альтернативой цементации является поверхностное упрочнение методом азотирования. При этом речь идет о термохимическом процессе диффузии для обогащения поверхностного слоя деталей азотом. Азот при этом вступает во взаимодействие с основным металлом и легирующими элементами, образуя химические соединения. В результате азотирования в поверхностной зоне детали возникает азотированный слой с внешней областью (т.н. связующий слой СС) и внутренней областью диффузии (т.н. зона диффузии ЗД). Благодаря твердости азотированного слоя и возникающим в нем напряжениям увеличиваются износостойкость, коррозионностойкость и сопротивляемость длительным нагрузкам, вне зависимости от прочностных характеристик детали. При этом существенным преимуществом азотирования по сравнению с цементацией является то, что для диффузии азота в сталь необходимы температуры, эквивалентные температурам отпуска для улучшаемых и инструментальных сталей. Структурные превращения и связанные с ними коробления, изменение размеров и прочности при азотировании существенно ниже. Кроме того после азотирования, как правило, не требуется дополнительная обработка.

Суть процесса азотирования

По сравнению с цементацией азотирование имеет несколько веских преимуществ, которое сделало его основным способом улучшения показателей стали. Азотированный слой обладает высоким показателем твердости без дополнительной термообработки. Кроме того, после азотирования размер обрабатываемой детали остается практически неизменным. В отличие от цементационного процесса, его можно применить к готовым изделиям, которые прошли термическую закалку с высоким отпуском и отшлифованы до окончательных форм. После азотирования детали полностью готовы к чистовой полировке и другой обработке.

Азотирование – это обработка стали в процессе ее нагрева в среде высокого содержания аммиака. Вследствие этого поверхность стали насыщается азотом и приобретает следующие качества:

  • Улучшается износостойкость деталей из металла за счет повышения индекса твердости их поверхностного слоя;
  • Растет выносливость или усталостной прочности стальных изделий;
  • Обработанный материал приобретает стойкую антикоррозионную защиту, которая сохраняется при контакте с водой, воздухом и паровоздушной средой.

Результаты азотирования намного ценнее в плане дальнейшей эксплуатации, нежели показатели изделия после цементации. Так, слой после цементации может сохранять стабильные показатели твердости при температуре не более 225 °С, а слой с азотом – до 550-600 °С. Причиной тому служит сам механизм азотирования, вследствие которого образуется поверхностный слой, который в 1,5-2 раза прочнее, чем после закалки и той же цементации.

Механизм азотирования

Обычно эта процедуры происходит при 500-600 °С в герметично закрытой реторте (муфели) из железа, которая внедряется в печь. Ее разогревают до температуры соответствующей выбранному режиму, и выдерживается необходимое время. В муфел, который являет собой контейнер, закладывают стальные элементы, которые будут подвержены азотированию.

В реторту из баллона непрерывно под определенным давлением запускается аммиак. Внутри нее аммиак, имеющий в своей молекуле азот, под действием температуры начинает диссоциацию (разложение) по следующей формуле:

2 NH 3 →6 H +2 N

откуда полученный в результате этого разложения атомарный азот проникает в металл путем диффузии. Это приводит к образованию нитридов на поверхности железных изделий. А нитриды и их твердые растворы характеризуются повышенной твердостью. По окончании процедуры печь должна плавно охлаждается вместе с потоком аммиака. Такой подход закрепляет эффект по твердости слоя, не давая поверхности окислиться.

Толщина такого нитридного слоя может варьировать от 0,3 до 0,6 мм. Таким образом, отпадает надобность в последующей термической обработке с целью повышения прочностных характеристик.

Схема формирования слоя, обогащенного азотом сложна, но хорошо изучена металлургами. В сплаве, который образуется вследствие диффузии азота в металл, наблюдается возникновение следующих фаз:

  • 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.

При доведении процесса до температуры, которая превышает 591 °С можно наблюдать дополнительную α- фазу. Когда она достигает лимита насыщения, это порождает следующую фазу. Эвтектоидный распад производит 2,35 % азота.

Факторы, влияющие на азотирование

Основными моментами, оказывающими ключевое влияние на процесс, являются температурный режим, давление газа и пролонгированность азотирования. Эффективность также зависит от степени диссоциации аммиака, которая может быть в районе 15-45%. Причем существует определенная зависимость: чем выше температура, тем ниже твердость слоя азотирования, но выше скорость диффузии. Показатель твердости вызван коагуляцией нитридов.

Для того чтобы использовать механизм по максимуму и ускорить его, прибегают к двухэтапному режиму. Начальная стадия обогащения азотом проходит при температурах до 525 °С, что обеспечивает верхним слоям стали высокую твердость. Затем азотирование проходит вторую ступень при температурном режиме от 600°С до 620 °С. При этом в очень короткое время глубина азотированного слоя доходит до заданных значений, ускоряя весь процесс почти в 2 раза. Однако, твердость образованного в результате ускорительного этапа слоя ничем не будет отличаться от слоя, который сформирован по стандартной одноступенчатой методике.

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

Обзор способов азотирования

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:

— 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

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

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

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

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

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

Свойства металла после обработки.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость (50..58HRC) и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Азотирование — процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом, с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости.

Азотирование проводится при 500—600 °С в герметично закрытом контейнере из железа, который внедряется в печь. Его разогревают до температуры соответствующей выбранному режиму, и выдерживается необходимое время. В контейнер закладывают детали, которые будут подвержены азотированию.

Туда же под определенным давлением запускается аммиак, который под действием высоких температур диссоциирует на водород и атомарный азот, который в свою очередь проникает в поверхностный слой мягкого металла, образуя нитриды с элементами, входящими в состав стали, алюминием, хромом, молибденом. Они имеют высокую твердость. По окончании процедуры печь плавно охлаждается вместе с потоком аммиака.

Толщина нитридного слоя может варьировать от 0,3 до 0,6 мм. Таким образом, отпадает надобность в последующей термической обработке с целью повышения прочностных характеристик.

Нитриды железа обладают сравнительно невысокой твердостью и незначительно повышают ее в стали. Следовательно, для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, хром и молибден, такие как 38ХМЮА, 18Х2Н4ВА и др.

Азотированию подвергают также детали из коррозионностойких, 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.

Если азотирование проводится с целью повышения коррозионностойкости, то этому процессу подвергаются также и углеродистые стали.

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:

  1. Очищение поверхности заготовки путем распыления катода.
  2. 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).

Такой метод имеет высокую эффективность, но гораздо реже применяется по причине опасности для здоровья и высоких материально-технических затрат.

Азотирование в жидкой среде

Виды азотирования

Существует несколько видов азотирования стали. Они отличаются друг от друга способом выделения азота, температурными режимами, рабочей средой. Но есть у них один общий признак – это то, что азот проникает внутрь стального изделия по закону диффузии. Возникновение разных видов азотирования было вызвано стремлением ускорить процесс либо улучшить результаты применения метода, то есть качество полученного слоя. Сегодня известны такие виды процесса:

  • газовая азотация;
  • плазменное азотирование;
  • азотирование в цианистых солях.

Газовая азотизация

Следует рассмотреть еще один способ азотации, который получил название газового каталитического азотирования. Суть его состоит в том, что внутри печи создается определенная атмосфера, где аммиак диссоциированный подвергают специальной обработке на элементе каталитическом.

Особенности этого метода:

  1. Процесс требует применения сложного оборудования по созданию особых химических условий.
  2. Благодаря получению большего количества радикалов ионизированных при подготовке аммиака доля диффузии твердорастворной увеличивается, доля процессов химических реакционных снижается – азот быстрее проникает внутрь структуры металла.

Такой способ азотирования стали более дорогостоящий, но позволяет добиться очень высоких показателей износостойкости у ответственных изделий.

Термохимический процесс

В отличие от газового азотирования стали, где рабочей средой является смесь эндогаза или пропана с аммиаком в пропорции один к одному, при термохимическом процессе участвует только газообразный аммиак. Его подают из баллона внутрь специального герметично закрытого бокса (муфели), куда предварительно укладывают детали, требующие обработки азотированием.
Этот бокс помещают в печь, где поддерживается определенная температура. Горячий воздух воздействует на аммиак таким образом, что он начинает распадаться на азот и другие элементы. Азот постепенно диффундирует внутрь стали: чем дольше процесс, тем глубже проникновение. Термохимический процесс позволяет получить укрепленный слой глубиной 0.6 миллиметров.

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.

график азотирования

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.

ионное азотирование

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.

Преимущества процесса PulsPlasma®

Распределение температуры

Использование камеры с электрически нагреваемыми стенками имеет наряду с энергосберегающим эффектом влияние на распределение температуры по садке деталей.

Для того чтобы избежать существенного превышения температуры в садке при использовании камеры с холодными стенками, во многих случаях отказываются от использования всего объема. Вместо этого формируют цилиндрические садки в цилиндрической камере. При использовании установки с горячими стенками благодаря меньшей подведенной энергии с помощью пульсирующей плазмы проводится азотирование полностью скомплектованной садки без опасности перегрева некоторых участков. Азотирование как плотно упакованной садки, так и очень больших деталей может быть с успехом реализовано с помощью установок для PulsPlasma® — процесса.

Часто PulsPlasma® — установки изготавливаются со встроенной системой автоматизации перемещения камер, в отличие от шахтных и камерных печей.

Садка устанавливается непосредственно на прилагаемое основание с помощью садочного устройства. Рама с деталями может быть при необходимости предварительно подготовлена и уже комплектно с деталями установлена в установку.

В случае особенно большого, тяжелого инструмента или деталей, имеет смысл отказаться от колпакового принципа в пользу установки камерного типа. Такая установка для обработки штампов кузова автомобиля с единичной загрузкой до 40 т показана на рисунке ниже. C помощью крана деталь загружается на тележку, после чего тележка с деталью помещаются в камеру установки.

Расход газа при процессе

При PulsPlasma® — азотировании в зависимости от конкретного случая применения и свойств слоя работают со смесями азот-водород-метан. В процессе азотирования не возникают неэкологичные продукты реакции, так что использованные газы могут быть удалены в окружающее пространство без дополнительной обработки. Плазменное азотирование проводят при невысоких давлениях, поэтому расход технологических газов достаточно низкий. Камера с размерами 1200×2000 мм потребляет в среднем 180 л/ч газовой смеси. Установка для газового азотирования с такими же размерами расходует от 6000 до 10000 л/ч аммиака и углеродосодержащей смеси. При классической цементации расход газов аналогично высокий. Поэтому при газовом азотировании и цементации образуется большое количество горючего отработанного газа, вредного для окружающей среды и требующего дополнительной энергии для его дополнительного дожигания.

Гибкие температуры обработки

На сновании возбуждения плазмы процесса азотирования и дозировании мощности благодаря пульсирующему принципу действия, возможно, проводить процессы PulsPlasma® — азотирования в широкой температурной области между 350 ºС и 600 º.

Детали, подверженные короблению могут азотироваться в этом случае при оптимальных условиях. Изменение размеров деталей из-за освобождения внутренних напряжений при высоких температурах обработки минимизируется.

Прочность основного металла азотированных деталей также остается неизменной, т.к. температура азотирования определяется несколько ниже температуры отпуска при улучшении (процесс термообработки до азотирования). После азотирования не требуется дополнительная термическая обработка. Детали после PulsPlasma® — азотирования могут сразу использоваться по назначению.

Стали с высоким содержанием хрома, которые могут быть проазотированы в расплаве солей с потерей коррозионностойкости и с помощью газового азотирования с высокими потерями, с помощью PulsPlasma® — азотирования обрабатываются без проблем. В этом случае непосредственно перед насыщением необходима депассивация поверхности с помощью бомбардировки поверхности ионами. Благодаря выбору температур азотирования ниже 450 ºС и точному регулированию состава газовой смеси становится возможным получать на поверхности деталей твердый, износостойкий слой без потери коррозионной стойкости.

Обработка порошковых сталей

Обработка деталей из порошка с помощью цементации, карбонитрирования в расплаве солей и газового азотирования из-за ограниченных условий данных процессов оставляет в порошковом материале большее или меньшее количество пор. При обработке в плазме фактически обрабатываются только внешние поверхности, охваченные тлеющим разрядом. По причине низких давлений (вакуум) и малого количества газа, в процессе азотирования в плазме нет опасности переазотирования и переотверждения. При проведении процесса вместе с деталями размещают образец, из того же материала, что и детали в садке, и подверженный той же обработке до азотирования.

Частичная обработка

Нет других более простых методов поверхностного упрочнения, позволяющих проводить частичную обработку, чем PulsPlasma® — азотирование. Участки, не подвергающиеся насыщению, закрываются простыми механическими средствами. Специальные защитные замазки, которые после процесса необходимо удалять, в данном случае не требуются. Защищенная поверхность не испытывает на себе никакого влияния в процессе азотирования в плазме.

Комбинация процессов

По причине близких процессов и почти идентичного оборудования, существует возможность комбинировать несколько процессов обработки поверхности в специально предусмотренной для этого установке. Для дальнейшего улучшения коррозионностойкости азотированных деталей можно простым изменением параметров процесса и технологического газа получить дополнительно к процессу PulsPlasma® — азотирования процесс PulsPlasma® — оксидирования. Процесс оксидирования способствует формированию слоя оксида железа Fe3O4 толщиной от 1 до 3 мкм на связующем азотированном слое.

В зависимости от качества стали и предшествующего процесса азотирования стойкость к коррозии может достигать до 200 часов в камере солевого тумана по DIN. Еще одним преимуществом оксидирования является улучшение антифрикционных свойств обработанных поверхностей так, что при определенных условиях смазки обработанные подобным способом пары трения могут восстанавливаться.

Еще одно поле для использования открывается благодаря комбинации PulsPlasma® — азотирования с плазменными процессами нанесения CVD и алмазоподобных DLC (Diamond like Carbon) покрытий. Благодаря образованному ранее азотированному слою, дополнительное CVD покрытие позволяет получить экстремальные значения твердости, износостойкости. В результате такой обработки обычно значительно повышается стойкость режущего инструмента.

Таблица 2 Обзор основных отличий между газовым азотированием и PulsPlasma® — азотированием

Азотирование стали 38Х2МЮА (1.8509)

В процессе ионного азотирования на поверхности деталей, изготовленных из стали 38Х2МЮА  (1.8509) сформировались диффузионный поверхностный слой и нитридная зона, для которых характерны высокая твердость, задиро- и износостойкость. Диффузионный слой характеризуется отсутствием хрупкой нитридной сетки и имеет мелкодисперсные нитридные включения в упрочненной матрице. Общая глубина слоя 0,36 — 0,4 мм., поверхностная твердость составляет 1010 — 1050 HV5 (кгс/мм2).

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на стали 38Х2МЮА (1.8509)

Поверхностная твердость, HV5, кгс/мм21010 — 1050
Поверхностная микротвердость, HV0.1, кгс/мм21090 — 1145
Глубина азотированного слоя по микроструктуре, hм, мм.0,36 — 0,37
Глубина азотированного слоя по микротвердости, hс, мм.0,40
Толщина нитридной зоны hн.з., мкм.12 — 15
Хрупкость по шкале ВИАМ1 балл, не хрупкий

Микроструктура азотированного слоя на стали 38Х2МЮА (1.8509)

Рисунок 1. Микроструктура азотированного слоя на стали 38Х2МЮА (1.8509)

Азотирование стали 40Х (AISI 5135, 1.7034)

На деталях, выполненных из стали 40Х (AISI 5135, 1.7034) также формируется диффузионный слой и нитридная зона. Поверхность приобретает повышенную твердость, высокую задиро- и износостойкость. Поверхностный слой не хрупкий. Глубина слоя по микроструктуре составляет 0,28 — 0,3 мм.

Таблица 2. Характеристики азотированного слоя на стали 40Х (AISI 5135, 1.7034)

Поверхностная твердость, HV5, кгс/мм2710 — 750
Поверхностная микротвердость, HV0.1, кгс/мм2750 — 810
Глубина азотированного слоя по микроструктуре, hм, мм.0,28 — 0,30
Глубина азотированного слоя по микротвердости, hс, мм.0,30
Толщина нитридной зоны hн.з., мкм.6 — 9
Хрупкость по шкале ВИАМ1 балл, не хрупкий

Микроструктура азотированного слоя на стали 40Х (AISI 5135, 1.7034)

Рисунок 2. Микроструктура азотированного слоя на стали 40Х (AISI 5135, 1.7034)

Азотирование стали 30ХГСА

На деталях, выполненных из стали з0ХГСА также формируется диффузионный слой и нитридная зона. Поверхность приобретает повышенную твердость, высокую задиро- и износостойкость. Поверхностный слой не хрупкий. Глубина слоя по микроструктуре составляет 0,35 — 0,4 мм.

Таблица 3. Характеристики азотированного слоя на стали 30ХГСА

Поверхностная твердость, HV5, кгс/мм2640 — 680
Поверхностная микротвердость, HV0.1, кгс/мм2840 — 910
Глубина азотированного слоя по микроструктуре, hм, мм.0,35 — 0,36
Глубина азотированного слоя по микротвердости, hс, мм.0,40
Толщина нитридной зоны hн.з., мкм.9 — 12
Хрупкость по шкале ВИАМ1 балл, не хрупкий

Микроструктура азотированного слоя на стали 30ХГСА

Рисунок 3. Микроструктура азотированного слоя на стали 40Х (AISI 5135, 1.7034)

Графики распределения микротвердости по глубине азотированного слоя

Рисунок 4. Графики распределения микротвердости по глубине азотированного слоя

Отпечаток хрупкости на сталях, HV30, х100: а – 40Х; б – 38Х2МЮА; в – 30ХГСА

Рисунок 5. Отпечаток хрупкости на сталях, HV30, х100:
а – 40Х; б – 38Х2МЮА; в – 30ХГСА

В результате упрочнения деталей методом ионного азотирования получен диффузионный слой и высококачественная нитридная зона, которые обеспечивают повышение твердости в несколько раз, коррозионной стойкости и улучшение антифрикционных и триботехнических свойств деталей. Технологические возможности процесса ионно-вакуумного азотирования позволяют создавать на металлах и сплавах поверхностные диффузионные слои различного химического состава, которые в сочетании со свойствами основного металла придают изделиям комплекс физико-механических свойств, определяющих их длительную эксплуатационную надежность. На сегодняшний день ионно-вакуумное азотирование является передовой технологией поверхностного упрочнения деталей, превышающей по своим техническим характеристикам другие типы покрытий, в том числе хромирование. В настоящее время компанией ООО «Ионные технологии» ведутся более 10 НИОКР по внедрению технологий ионной химико-термической обработки с предприятиями различных отраслей промышленности.

Азотирование — выводы

Азотирование один из наиболее популярных способов доведения металлических деталей до наилучших показателей сопротивления изнашиванию. Кроме того, полученные в результате насыщения азотом поверхностные слои имеют высокую сопротивляемость коррозии. Изделия, прошедшие насыщение азотом, не требуют дополнительной термической закалки. В результате чего, азотирование стало ключевым процессом обработки деталей в машиностроении, станкостроение и в других сферах, выдвигающих высокие требования к составным элементам.

У азотирования существуют и свои недостатки, состоящие в дороговизне и длительности его проведения. Так, при температурах в 500°С азот проникает на 0,01 мм (или менее) за каждый час. Исходя из этого факта, общее время всего процесса порой доходит до 60 часов.

Источники
  • https://HeatTreatment.ru/ionno-plazmennoe-azotirovanie.html
  • https://stanok.guru/stal/metodika-preimuschestva-i-etapy-processa-azotirovaniya-stali.html
  • http://met-all.org/obrabotka/himicheskaya/azotirovanie-stali-metalla-ionnoe.html
  • https://molotok34.ru/spravochnik/azotirovanie-eto.html
  • https://WikiMetall.ru/metalloobrabotka/azotirovanie-stali.html
  • https://titan-spec.ru/metally/azotaciya-stali.html
  • https://martensit.ru/ximicheskaya/azotirovanie-metalla/
  • https://tokar.guru/metally/stal/azotirovanie-stali-opisanie-i-osobennosti-procedury.html
  • https://SevenTools.ru/metally/azotirovanie-stali-40h.html
  • https://www.procion.ru/uslugi_ionnogo_azotirovaniya/azotirovannye_detali/massovaya-produkciya/
  • https://tpspribor.ru/vidy-metalla/kak-i-s-kakoy-cel-yu-provoditsya-azotirovanie-stali.html

Евгений Плющев

Закончил УрФУ имени Б.Н. Ельцина. Имею опыт в сфере металлообработки 25 лет. За это время работал литейщиком, термистом и гальваником. Станочник широкого профиля (3 разряд).

Оцените автора
Добавить комментарий

Adblock
detector