Азотування сталі і його особливості |

Під азотуванням стали розуміється насичення її азотом. Дана методика використовується для поверхневого зміцнення матеріалу відносно недавно — з 20-х років минулого століття. Процедура проводиться на вже готових виробах, які не тільки пройшли остаточну термічну обробку, а й були доведені до необхідного розміру за допомогою шліфування.

Особливості технології азотування стали

Насичення аміаком увазі нагрівання сталевої деталі в атмосфері аміаку (NH3) при температурі від 500 до 700 ° С. Для нагрівання застосовуються спеціальні герметичні печі, через які за технологією пропускається аміак. В процесі нагрівання відбувається розкладання останнього, і в результаті виділяється атомарний азот, поглинаючі поверхні стали і здатний проникати глибоко всередину.

Основною вимогою до азотированного шару є підвищений показник твердості і зносостійкості. І досягається це, завдяки застосуванню сплавів, до складу яких входить алюміній. Найчастіше мова йде про марку 38ХМЮА, яка крім заліза і вуглецю включає в себе хром, молібден і алюміній. У процесі насичення азотом даної стали утворюються нітриди заліза, хрому, молібдену і алюмінію, які надають поверхневому шару оброблюваної деталі особливо високі показники твердості (близько 1200 HV).
Для виробництва деталей, які принципово допускають менший показник твердості усталений поверхню, допускається використання азотіруемих сталей, до складу яких не входить алюміній. Такі стали мають при зниженій твердості азотированного шару більш високі механічні характеристики і технологічність. Під механічними характеристиками при цьому маються на увазі такі показники, як межа плинності, повзучості, тривалої міцності матеріалу, а також міцності на розрив, а під технологічністю — властивості металу, що визначають його пристосованість до досягнення мінімальних витрат при виробництві та експлуатації.

Основний недолік, який має технологія насичення стали азотом — це дуже велика тривалість процедури. В середньому процес займає не менше 90 годин. Глибина азотированного шару після обробки виходить від 0,3 до 0,6 мм.

Процедура може проводитися за двома режимами:

  • одноступінчатому (з витримкою 90 годин при температурі до 520 ° С)
  • двоступінчастим (з витримкою від 15 до 20 годин при температурі до 520 ° С і з витримкою від 20 до 25 годин при температурі до 570 ° С).

Якщо мова йде про декоративній обробці азотом, їй можуть піддаватися будь-які типи стали, включаючи чорні вуглецеві. Температура при цьому може варіюватися від 600 до 700 ° С, а витримка — від 50 хвилин до 1 години.

Якщо піддавати обробці необхідно не всю деталь, а лише її частина, не підлягають азотуванню місця покривають тонким шаром олова.

Різновиди азотування і використовуване обладнання

Насичення сталей азотом може проводиться різними способами:

Газове азотування

При проведенні даної процедури насичення стали проводиться від 400 до 1200 ° С, а як середовище для насичення використовується дисоційованому аміак (Аміак, пропущений при високих температурах через спеціальний реактор — диссоциатор). Для того щоб змінити структурні характеристики і механічні властивості одержуваного шару можна застосовувати:

  • різні режими температур;
  • повітря;
  • розбавлення диссоциированного аміаку;
  • водень (рідко).

1 — зміцнюючих виріб; 2 — водоохлаждаемая камера; 3 — активний екран; 4 — нагрівальний елемент; 5 — стіл; 6 — підведення високої напруги до екрану; 7 — вентилятор; 8 — підведення насичує газового середовища; 9 — підведення високої напруги до зміцнюючих виробу; 10 — до вакуумного насоса

Для проведення процедури газового азотування підходять камерні або шахтні ретортні печі.

У камерних печах насичення азотом проводиться в жаротривкої герметичній камері, розташованої усередині конструкції. Футеровку печі зазвичай виготовляють з легкої цегли і волокнистої ізоляції.

У шахтних реторних печах азотування проводиться в підвішеній всередині герметичної Реторе. Перевага даних печей полягає в можливості рівномірного розподілу температури і точної цифрової регулюванню процесу.

Що стосується муфельних печей, через особливої ​​прихильності в них нагрівальних елементів (за керамічним муфелем, що характеризується низькою термостійкістю)), вони не можуть використовуватися для насичення азотом сталевих деталей.

Аміак готується до подачі в піч за допомогою диссоциатор.

Каталітичне газове азотування

Каталітичне газове азотування за своєю суттю є останню модифікацію способу насичення стали азотом, описаного вище. В даному випадку також в якості робочого середовища застосовується дисоційованому аміак. Температурний режим повинен становити 200-400 ° С. Для зміни товщини азотированного шару використовують переважно зміна потенціалу насичення. Йдеться про зміну відносин парціальних тисків водню і аміаку. Необхідна ступінь дисоціації останнього досягається шляхом регулювання тиску в печі і витрати газу, що подається. Перевага даної технології полягає в можливості роботи з більш щадними температурними режимами, ніж при традиційному газовому азотуванні стали.

Для католицького азотування підходять камерні або шахтні ретортні печі, обладнані каталізаторами (встановлюються в робочому просторі печі разом з диссоциатор а також кисневими зондами, які призначені для визначення параметра здатності атмосфери до насичення.

Дана технологія насичення металовиробів проводиться в азотовмісні розцяцькованої повітряному середовищі з збуджує тліючим зарядом електрики. Функцію анода в даному випадку виконують стінки нагрівальноїкамери, а катода — безпосередньо самі вироби. Для зміни структурних характеристик і механічних властивостей одержуваного шару можуть використовуватися:

  • добавка до азоту особливо чистих технологічних газів (наприклад, аргону, метану, водню або кисню);
  • зміна ступеня розрядження;
  • зміна витрати азоту;
  • зміна щільності струму

Для іонно-плазмового азотування використовуються спеціальне обладнання, в якому нагрів і насичення азотом виробів відбувається за рахунок катодного бомбардування. На поверхні металу при цьому утворюються характеризуються високою твердістю шари нітридів.

Апаратура для виконання іонно-плазмового азотування включає в себе наступні складові:

  • вакуумна камера;
  • система водяного охолодження;
  • система відкачування повітря;
  • система подачі суміші газу;
  • системи управління і комп’ютер;
  • з’єднувальні магістралі;
  • електрокомунікації.

Процеси управління установкою здійснюються через контролер і комп’ютер.

Азотування з розчинів електролітів

Застосування анодного електролітного нагріву — одна з різновидів швидкісний електро-хімікотерміческой обробки сталевих виробів.

В основі даного способу обробки лежить принцип застосування імпульсних зарядів електрики, що проходять уздовж поверхні зануреного в електроліт вироби. Завдяки спільному впливу на поверхню металевої деталі зарядів електрики і хімічно активного середовища, створюється ефект полірування. У даній технології обробляється деталь є анодом, до якого підводиться позитивний потенційний потенціал від джерела струму. Площа катода при цьому повинна бути не менше, ніж в п’ять разів більше площі анода. Залежно від того, яке прикладається напруга в процесі проходження струму через розчин електроліту, поблизу анода можуть спостерігатися різні режими електричних процесів.

Якщо підвищити ряд критичних величин напруги і щільності струму, навколо сталевого анода утворюється газо-плазмове хмара, яке починає відтісняти електроліт від металевої поверхні. В результаті утворюється багатофазна система «метал-плазма-газ-електроліт».

Основні переваги азотування

Якщо порівнювати насичення стали азотом з процедурою цементації, можна виділити цілий ряд переваг першого методу:

  • можливість одержання більш високої поверхневої твердості, яка може зберігатися при нагріванні до 650 ° С (у зазнали цементації поверхонь аналогічний показник становить від 200 до 250 ° С);
  • відсутність необхідності в додатковій термообробці;
  • підвищена зносостійкість;
  • висока стійкість проти впливу знакозмінних навантажень;
  • стійкість до деформації;
  • високий опір корозії.

Крім того, азотування істотно знижує в’язкість стали, опір налипання металу під навантаженням і підвищує межу витривалості матеріалу. Що стосується межі втоми азотированного стали, він теж істотно збільшується. Це відбувається через виникнення стискаючих залишкових напружень в зміцненому шарі.

У промисловості азотування стали знаходить найширше застосування. При цьому обробці можуть піддаватися різні типи металів, включаючи жароміцні, корозійностійкі, тугоплавкі, конструкційні та т.д.

Азотований стали за своїми характеристиками має велике значення перевершують за своїми основних характеристик як загартовані, так і цементовані стали.

Ссылка на основную публикацию