Что такое азотирование стали?

Обработка позволяет оптимизировать такие характеристики детали, как твердость, прочность, стойкость к изнашиванию и коррозии. Температура во время процесса не оказывает значительного воздействия на финальные свойства изделия.

В чем состоит суть технологии

У азотирования, как способа обработки стали, немало преимуществ перед цементацией, что позволило ему стать ключевым способом повышения качественных параметров металла. Изучение сущности технологии позволяет понять, что такое азотирование стали, насколько оно важно.

При выполнении работ на поверхности деталей образуется сплошной азотистый слой, по мере продвижения вглубь материала превращающийся в твердый нитридный, отличающийся высокой твердостью, увеличенной износостойкостью, уменьшенной склонностью к коррозии. Обрабатываемая деталь сохраняет габариты, что позволяет обрабатывать стальные изделия, прошедшие необходимые этапы закаливания и шлифовки. По завершении металл можно отправлять на полировку либо обрабатывать иным методом.

Азотирование стали представляет собой термохимическую обработку, призванную улучшить показатели твердости, износостойкости. Процесс подразумевает выдерживание стальных заготовок в азоте при значительных температурах. В итоге поверхность металла, насыщаемая азотом, подвергается следующим изменениям:

• Деталь получает большую стойкость к изнашиванию.
• Увеличивается ее прочность.
• Формируется стойкость к ржавчине при воздействии влаги.

После азотирования параметры твердости стали становятся более стабильными. Поверхность заготовки, прошедшей обработку, сохраняет твердость после нагрева вплоть до 600С. При цементации твердость уменьшаться при нагреве изделия уже выше +225С. Азотирование обеспечивает двукратный выигрыш по прочности против закаливания или цементации.

Специфика процесса

Заготовки размещают в герметичном муфеле, помещаемом в печи. Там происходит нагрев до 600С, после чего они выдерживаются там некоторое время.

Для формирования рабочей среды в муфель под давлением организуется подача NH3. Нагрев вызывает протекание реакции разложения:

• 2NH3 → 6H + 2N.

Выделяемый атомарный азот начинает проникать вглубь заготовки с формированием на поверхности твердых нитридов. Чтобы закрепить полученный результат, а также предупредить возникновение окислительных процессов муфель с печью подвергается медленному охлаждению.

В результате металлическая поверхность покрывается нитридным слоем толщиной до 0,6 миллиметров, чего вполне хватит для придания изделию необходимой прочности. После азотирования иной обработки не потребуется.

Процессы азотирования нельзя назвать простыми, однако изучены они достаточно неплохо. В результате образуются растворы Fe3N (8-11% N), Fe4N (5,7-6,1% N) и р-р азота в α-железе.

Образование α-фазы в структуре металла является следствием нагрева при азотировании при нагреве выше +591С. Когда насыщение становится максимальным, образуется новая фаза. При насыщении 2,35% N структура металла подвергается эвтектоидному распаду.

Факторы, сопровождающие азотацию

На процесс азотации оказывают влияние следующие факторы:

• Температура.
• Уровень давления.
• Длительность нахождения заготовки в печи.

Помимо этого, на эффективность оказывает влияние степень диссоциации NH3, нормальный показатель которой равен 15-45%. Когда температура растет, поверхностный слой становится слабее, что обуславливается коагуляцией нитридов легирующих компонентов, но проникновение N при этом ускоряется.

В ходе азотации сталь в зависимости от марки приобретает твердость:

Классификация

Азотация металла не требует наличия чрезмерных температур. Благодаря этому габариты деталей сохраняются без изменений. Данное качество особенно актуально для продукции, уже подвергавшейся шлифованию – по окончании азотирования потребуется лишь ее полировка.

Главный недостаток термохимических методов – их высокая стоимость. Азотация длится достаточно долго – на полный цикл потребуется около 2,5 суток, т.к. сам по себе это медленный процесс. Сам процесс проводится при участии специализированного оборудования и представлен несколькими разновидностями:

1. Газовая. Классический вариант. Для проведения потребуется один из вариантов смеси (аммиак, пропан, эндотермический газ). Чтобы металл насытился N, требуется поддержание температуры до +579С. Само насыщение длится порядка 3-х часов. В результате получается защитный слой небольшой толщины, однако высокой прочности.

Среди классических процедур выделяется каталитическая газовая азотация. Специфика метода кроется в предварительной обработке NH3, призванной увеличить кол-во свободных атомов N.

Азотирование в жидких средах благоприятно влияет на скорость диффузии. Роль рабочей среды играет расплав цианистых солей. Азотация проходит при +570С.

Развитие прогресса привело к росту популярности ионно-плазменной азотации, протекающей в условиях тлеющего разряда. По технологии поверхность металла обогащается атомами N в разряженной среде. С этой целью к герметичной камере подводится напряжение. Ионный поток генерирует плазму, нагревающую поверхность заготовки. Сталь насыщается N, при этом появляется твердый защитный слой.

2. Термохимический. Заготовки кладут в муфель, размещаемый в специальных печах. Подвод NH3 к реторте выполняется при помощи резервуара. В результате нагрева атомы N приникают в поверхностные области, образуя слой повышенной прочности.

Использование NH3 объясняется возможностью создания оптимальных условий для освобождения содержащегося в составе N. После этого осуществляется диффузное насыщение поверхности металла, сопровождающееся появлением нитритов. Благодаря им сталь становится очень твердой, коррозиеустойчивой. После процесса печь плавно охлаждается, это исключает возможность окисления металла. Предельная толщина полученного азотированного слоя – 0,6 мм.

Область использования

Готовые детали приобретают долговечность, на них не появляется ржавчина даже при работе в условиях влажных сред. Наличие слоя азота обеспечивает следующие параметры:

• Высокая твердость стали в случае нагрева до +600С.
• Сокращение вероятности усталости, вызываемой негативным воздействием окружающей среды.
• Улучшение сопротивляемости продолжительным нагрузкам.
• Значительное повышение прочности даже в состоянии усталости.
• Сокращение риска несоответствия габаритов деталей изначальным параметрам.
• Уменьшение вероятности значительной деформации.

В результате проведенных манипуляций стальные заготовки приобретают улучшенные характеристики и отличаются более высокой устойчивостью по отношению к негативным факторам. Обработанные детали прослужат вдвое дольше, будут отличаться повышенной прочностью, долговечностью, устойчивостью к перепадам температур, воздействию влаги, антикоррозийностью и т.д. Технология позволяет уменьшить трение между деталями, продлить срок их службы. Помимо этого, она является важным фактором для повышения эффективности работы, а также надежности многих узлов и механизмов.

Азотирование стали используется во многих отраслях, где необходимы материалы с высокой износостойкостью и повышенной прочностью. Например, в автомобильной и авиационной промышленности азотированная сталь применяется в двигателях, деталях трансмиссии, подшипниках, корпусах и других узлах, подвергающихся большим механическим напряжениям. Кроме того процесс широко востребован в производстве прецизионных инструментов, металлоконструкций, гидравлического оборудования и других изделий.