Особенности технологии азотирования металла

Азотирование металла в промышленных масштабах стало использоваться достаточно недавно. Азотация была весьма непопулярным решением, так как ее характеристики изначально не совсем совпадали с особенностями производства. Спустя какое-то время данный вид обработки был серьезно изучен и использован ведущими предприятиями металлообрабатывающей промышленности. Промышленные масштабы обработки металла позволяют улучшить параметры готовых изделий, которые производятся из стальных сплавов. В процессе азотации поверхностный слой различных деталей из стальных сплавов насыщается азотом, что улучшает эксплуатационные свойства.

Что представляет собой азотация

Азотирование стальных сплавов очень часто сравнивают с цементацией. Несмотря на то, что результат чем-то схож, у азотации больше плюсов. Азотирование стали в данный момент применяется как основной способ для повышения устойчивости металла к различным факторам.

Во время азотирования стальные элементы не подвергаются существенному нагреванию, но во время этого поверхностный слой становится значительно тверже. Данные свойства технологии позволяют применять её при обработке деталей, прошедших закалку и уже отшлифованных. Также азотирование ещё называют азотацией, что никак не влияет на итог процедуры. После азотации стальные детали можно полировать или обрабатывать другими способами.

Установки для азотирования бывают разных размеров в зависимости от производства. Схема установки для азотации состоит из следующих частей:

• источника питания;
• навески с деталями;
• вакуумной камеры;
• ротаметра;
• фильтров;
• газовых баллонов;
• форвакуумного насоса.

Все элементы установки рассчитаны на длительную эксплуатацию.

Суть процесса состоит в том, что сталь нагревается в среде аммиачных материалов. Благодаря обработке в данной среде металл имеет следующие изменения:

• так как твердостные данные поверхностного слоя изменяется, то улучшаются показатели износостойкости стальной детали;
• отмечается рост усталостной прочности элементов;
• поверхность становится стойкой к появлению ржавчины и эффект сохраняется при непосредственном контакте элементов с жидкостями, парами либо влажным воздухом.

Азотация является единственным оптимальным способом, который позволяет добиться стабильных показателей твёрдости стали. В отличие от элементов, которые подвергались цементации, азотированные детали сохраняют свои параметры твердости при температуре 550-600 градусов. После азотации прочность металла повышается в полтора-два раза по сравнению с закалкой либо цементацией.

Факторы, влияющие на азотирование

Основными параметрами, оказывающими существенное влияние на процесс азотации выступают:

• температура;
• давление газа;
• длительность выдержки.

Данные факторы являются основными параметрами, которые влияют на процесс азотирования, но также имеются и другие показатели. Например, степень диссоциации аммиачных компонентов. Обычно она находится в пределах 15-45%. При увеличении температуры в среде газовой обработки твердость может существенно снизится, но в отличие от этого диффузионные процессы азотистых составляющих ускоряются. Такие параметры обуславливаются коагуляцией нитридов легирующих компонентов, которые отмечаются в составе металла. Данные параметры обеспечивают возможность сокращения процессов обработки в несколько раз.

При необходимости ускорить процесс азотации и повысить его эффективность используют двухэтапную схему обработки металла. Такая схема подразумевает в виде первого этапа обработку металлических сплавов при температуре, которая не превышает 525 градусов. Благодаря использованию именно этой температуры стальной детали придаются высокие показатели твердости. Во второй части процесса азотирования деталь нагревается до 600-620 градусов. При таких параметрах температурного режима процесс азотирования существенно ускоряется, а глубина достигает необходимых показателей. Прочностные данные поверхностного слоя по двухступенчатой технологии не уступают соответствующим изделиям, прошедшим азотирование в одну ступень.

Типы сталей, подвергающихся азотации

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:

1. 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.
2. 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.
3. 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА. Применяются при изготовлении различных элементов, которые в процессе эксплуатации подвергаются нагрузкам на изгиб.
4. 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.

Типы сред при азотировании

При азотации могут эксплуатироваться разнообразные рабочие среды. Чаще всего для осуществления процессов обработки при азотировании используется газовая смесь, которая состоит на 50% из аммиачных материалов и на 50% из пропанового газа. Также смесь может состоять в тех же в соотношениях из аммиачной смеси и эндогаза. Данная среда предназначена для обработки металлосплавов при температурном режиме не превышающим 570 градусов. При обработке металла длительность воздействия в газовой среде составляет 3 часа. Стоит подчеркнуть, что азотированный слой, который создается при такой функциональной среде, обладает небольшой толщиной, но характеризуется повышенными показателями прочности и износостойкости.

В последнее время применяют азотирование ионно-плазменным способом, которое выполняется в азотосодержащей разряженной среде. Особенность такого способа — при обработке стальных элементов их и муфель подключают к источнику электричества. Изделия в таком случае выступают в роли отрицательного электрода, а муфель — положительного. В итоге между элементом и муфелем образовывается поток ионов, происходит нагрев стальной поверхности. Также благодаря этому происходит насыщение стали нужным количеством азота.

Особенности технологии

Как и в любой технологической сталеобрабатывающей операции в азотировании имеются плюсы и минусы. Сталесплавные обработки хоть и гарантируют достижение нужных параметров, но также в отдельных ситуациях могут стать причиной ухудшения параметров эксплуатации элемента.

Преимущества металла, прошедшего азотирование:

1. Повышенная твердость и износостойкость. Показатели сохраняются в течение длительного времени даже при условиях нагрева до 600 градусов.
2. Стойкость стальных сплавов к коррозии. Благодаря воздействию азота на поверхностный слой металлической детали она становится устойчивой к коррозированию.
3. Так как весь процесс обработки происходит при относительно низких температурах, то в процессе азотации элементы не изменяют своей геометрии и конечная обработка требуется в меньших количествах.

Помимо преимуществ технология также имеет определенные минусы. Хоть они и не столь существенны и их можно при правильном подходе частично или полностью нивелировать, но их наличие отрицать не стоит.К главным минусам азотации можно отнести:

1. Длительность процедуры. В отдельных случаях требуется обработка металла длительностью до нескольких суток. Также во время обработки применяется специализированное оборудование.
2. Высокая стоимость изделия. Так как при азотации используются исключительно дорогие марки стали, то в итоге детали чаще всего получается в несколько раз дороже, чем обычные.

Выводы

Высокая популярность азотирования в различных сферах промышленности обуславливается возможностью получения стабильного результата при невысоких затратах. Наиболее распространена азотация в тяжелой промышленности, машиностроении, станкостроении. Именно в данных отраслях требуется соблюдение наилучшего соотношения трех параметров — качества, времени и стоимости.

Используемая литература и источники:

• Структура и износостойкость азотированных конструкционных сталей и сплавов: моногр. / Куксенова Лидия Ивановна. — М.: Московский Государственный Технический Университет (МГТУ) имени Н.Э. Баумана, 2012.
• Электрохимико-термическая обработка металлов и сплавов / И.Н. Кидин и др. — М.: Металлургия, 1978.
• Статья на Википедии