Когда деформация детали в процессе азотирования недопустима и существуют строгие требования к геометрии изделия, рекомендуется использовать ионно-плазменное азотирование. Этот метод существенно минимизирует любые изменения конфигурации и линейные размеры заготовок. Метод зарекомендовал себя как крайне эффективный.
Азотирование стали: задачи и методы
Что же такое азотирование? Это современный термохимический процесс, который нацелен на улучшение прочностных и коррозионно-стойких характеристик различных сплавов. В качестве его аналога можно рассматривать цементацию, однако, последняя уступает азотированию по качественным показателям.
Как осуществляется данный процесс? Только определенные виды стали подходят для этой процедуры. Перед началом работ важно выбрать конкретный метод азотирования, определить рабочую среду для процесса и провести необходимую предварительную обработку изделия.
Суть азотирования стали
Ключевым моментом этой методики является термическая обработка металлических заготовок в условиях постоянного притока аммиака. Для процесса азотирования используют специализированное оборудование, а именно печи с герметичными камерами.
Основная цель азотирования стали – это придание заготовкам новых эксплуатационных свойств:
- Увеличение износостойкости изделий благодаря росту поверхностной прочности стали.
- Снижение вероятности появления участков с усталостью металла.
- Формирование защитного поверхностного слоя, который обеспечивает коррозионную стойкость, высокую устойчивость к агрессивным веществам и сопротивляемость ударной деформации при непосредственном контакте.
Уникальной особенностью данной технологии является то, что при азотировании детали не изменяют своей геометрии, поскольку нет воздействия высокой температуры. Благодаря данной особенности, азотирование можно осуществлять после таких этапов предварительной обработки изделий, как максимально точные шлифовка и отпуск.
Еще одной важной чертой этого метода является стабильность полученных характеристик. В отличии от цементации, где уже при температуре около +225 °C начинается снижение твердости металла, механические качества изделия, прошедшего азотирование, не ухудшаются со временем и при нагреве.
Азотирование стали позволяет достигать значительных усовершенствований в эксплуатационных параметрах сплава. Долговечность и прочность металла, который прошел через этот процесс, зачастую вдвое превышает таковые у стали, подвергшейся традиционным методам закалки.
В зависимости от выбранного способа подготовки металла, он может обретать различные характеристики. Главное, что метод азотирования придает стали устойчивые качества, которые сохраняются даже при воздействии высоких температур, достигающих +500 °C. Ни одна известная технология не может обеспечить такие долгосрочные стабильные характеристики.
В чем состоит суть технологии
Азотирование как метод обработки стали имеет множество преимуществ по сравнению с цементацией. Это и позволило ему занять центральное место среди способов повышения качественных параметров металла. Изучение основ технологии позволяет лучше понять, что такое азотирование стали, и насколько оно важно для металлургической промышленности.
Во время обработки на поверхности деталей формируется однородный азотистый слой, который с углублением в материал преобразуется в твердый нитрид, отличающийся высокой твердостью, улучшенной износостойкостью и меньшей предрасположенностью к коррозии. Обрабатываемая деталь сохраняет свои размеры, что позволяет обрабатывать стальные изделия, прошедшие все необходимые этапы закалки и шлифовки. После завершения процесса металл может быть отполирован или подвергнут какой-либо другой обработке.
Азотирование стали представляет собой термохимическую обработку, направленную на улучшение твердости и износостойкости. В ходе процесса стальные заготовки выдерживаются в атмосфере азота при высоких температурах, в результате чего поверхность металла, насыщаясь азотом, изменяется следующим образом:
- Увеличивается стойкость детали к износу.
- Повышается ее прочность.
- Формируется коррозионная сопротивляемость при воздействии влаги.
После азотирования параметры твердости стали становятся значительно более стабильными. Поверхность заготовки, прошедшей обработку, сохраняет свою твердость даже при нагреве до 600 °C. В то время как при цементации твердость начинает снижаться уже при температуре выше +225 °C. Азотирование обеспечивает двукратное превосходство по прочности по сравнению с закаливанием или цементацией.
Специфика процесса
Заготовки помещаются в герметичный муфель, который затем помещается в печь. Здесь они нагреваются до 600 °C, после чего выдерживаются в этой температуре на протяжении определенного времени.
Для создания рабочей среды в муфель под давлением подается NH3. Нагрев вызывает реакцию его разложения:
Атомарный азот проникает внутрь заготовки, образуя на поверхности твердые нитриды. Чтобы зафиксировать достигнутый эффект и предотвратить возникновение окислительных процессов, муфель и печь медленно охлаждаются.
В результате ее металлическая поверхность покрывается нитридным слоем толщиной до 0,6 миллиметров, чего достаточно для повышения прочности изделия. Дополнительной обработки после азотирования уже не требуется.
Процессы азотирования нельзя назвать простыми, однако они достаточно хорошо изучены. В итоге образуются такие соединения как Fe3N (содержит 8-11% N), Fe4N (содержит 5,7-6,1% N), а также растворы азота в α-железе.
Образование α-фазы в структуре металла происходит при нагреве выше +591 °C. При достижении максимального насыщения возникает новая фаза. При насыщении в 2,35% N структура металла подвергается эвтектоидному распаду.
Популярные станки для обработки металла:
Рабочая зона: 1500х3000 мм. Источник: 2000 Вт Raycus. Возможность резки: нержавеющей стали до 8 мм, углеродистой стали до 16 мм.
Усилие: 30 тонн. Длина гиба: 1600 мм. Расстояние между колоннами: 1100 мм. Глубина зева: 180 мм. Мощность двигателя: 3 кВт.
Размеры стола: 800×420 мм. Нагрузка: до 500 кг. Перемещение по осям: 650 / 450 / 510. Количество инструментов: 16 шт.
Типы азотирования:
Процесс азотирования представляет собой диффузию азота в поверхностный слой легированной стали при высоких температурах. Существует три основных способа его реализации:
- Газовое азотирование;
- Азотирование в соляной ванне;
- Плазменное азотирование.
Давайте кратко рассмотрим каждый из типов и выясним, чем они отличаются друг от друга.
Газовое азотирование
Процесс газового азотирования предполагает, что нагретая металлическая деталь подвергается действию безводного аммиака в печи. При повышении температуры аммиак разлагается на азот и водород. Получившийся азот диффундирует в поверхность, образуя исключительно твердый нитридный слой.
В зависимости от сферы применения газовое азотирование может быть одно- или двухступенчатым процессом. Современное оборудование предоставляет возможность точного контроля за процессом газового азотирования. Этот метод подходит для массового производства, поскольку размер партии ограничивается лишь потоком газа и размерами печи.
Газовое азотирование, как правило, более экономично, особенно по сравнению с методом плазменного азотирования. Однако, его недостаток в том, что он может занимать продолжительное время — в некоторых случаях до 80 часов. Газовое азотирование часто применяется для усиления зубчатых колес против усталостных разрушений при контактном качении.
Азотирование в соляной ванне
В процессе азотирования в соляной ванне материал помещается в жидкую ванну, содержащую азотную соль. При повышении температуры азот из соли попадает на поверхность детали. Соль иногда может содержать углерод, что делает процесс не просто азотированием, а нитро-углероживанием.
Азотирование в соляной ванне обеспечивает более интенсивную диффузию азота в деталь по сравнению с газовым азотированием при той же продолжительности обработки. Это относительно простой и быстрый метод.
Данный процесс особенно популярен при изготовлении коленчатых валов, зубчатых колес, а также инструментов и штампов.
Плазменное азотирование
Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование, использует процесс ионизации для нанесения азота на металлическую деталь.
Чистый азотный газ ионизируется вблизи металлической подложки путем создания мощного электрического поля. Ионы азота проникают в поверхность подложки и образуют твердые металлические нитриды.
Поскольку процесс зависит от ионизации азотного газа, он не требует крайне высоких температур. Для плазменного азотирования достаточно температуры 260 °C. Следовательно, плазма может быть как горячей, так и холодной. Холодная плазма генерируется с использованием вакуумных трубок.
Плазменное азотирование в основном применяется для закалки аустенитной нержавеющей стали, а также для производства таких изделий, как медицинские и хирургические инструменты, автомобильные детали и строительные конструкции.
Этапы азотного насыщения нержавеющих сталей
Процесс азотирования включает 4 этапа обработки металлической детали, которые детально расписаны в регламентах. Игнорировать эти рекомендации не следует, так как их строгие соблюдения гарантирует получение продукции высокого качества.
Подготовительная обработка
Сначала заготовки или детали, изготовленные из различных марок нержавеющей стали, очищаются от масел или эмульсий. Например, нержавеющий шестигранник может быть обезжирен в ванне с бензином или электролитическим способом. Затем идет операция удаления или притупления острых кромок детали. Шлифовка является критически важной, так как от нее зависит качество итогового продукта. Параллельно выполняется подгонка линейных размеров. От точности габаритов напрямую зависят эксплуатационные характеристики готовой конструкции.
Нержавеющие стали покрыты тонким оксидным слоем, который предотвращает образование ржавчины, но в то же время негативно влияет на равномерное азотирование. Поэтому после очистки деталь подвергается травлению в концентрированной соляной кислоте при температуре от 50 до 90 градусов в течение 5 минут.
Закалка и обработка холодом
Практически все марки нержавеющей стали закаляются при температуре от 1000 до 1050 градусов. Исключение составляют лишь некоторые марки, такие как 95х18, для которых закалка осуществляется при температуре 950 °C. После нагрева деталь удерживается в печи при данной температуре до полного превращения аустенита, затем производится быстрое охлаждение в масле или воде для закрепления мартенситной структуры, что повышает её твердость, прочность и коррозионную стойкость.
Отпуск
После закалки и охлаждения, для увеличения пластичности и уменьшения внутренних напряжений, деталь подвергается отпуску. Эта процедура заключается в нагреве материала до 160-180 градусов, с последующим медленным остыванием на воздухе. Ускоренное охлаждение может привести к деформации изделия, нарушая его форму.
Азотирование
Для повышения твердости, износостойкости и сопротивляемости эрозии применяют азотирование высокохромистых сталей любыми методами. Однако предпочтение чаще отдается плазменному способу, поскольку он экономически эффективен, автоматизирован и не требует значительного количества персонала. Программа гарантирует изделие с точно заданными параметрами диффузионного слоя.
На протяжении последних 10 лет ученые ведут споры о степени эффективности азотирования при упрочнении поверхностного слоя, так как глубина упрочнения может быть достаточно незначительной. Для некоторых марок нержавеющей стали азотирование не позволяет сформировать слой глубже 0,15 мм. Имели место случаи, когда насыщение поверхности азотом привело к обратной реакции — исследование марки X17CrNi16-2 показало, что ее коррозионные свойства, наоборот, улучшились. Однако продолжающиеся эксперименты со сталями уже привели к глубинному пониманию процесса и возможности высокоточного контроля. Технологические решения на сегодняшний день обеспечивают значительное повышение качества продукции из нержавеющей стали и увеличение срока службы ответственных компонентов.
Этапы азотного насыщения
Чтобы добиться качественного результата, необходимо строго следовать поэтапному регламенту выполнения работ, который включает 4 стадии, каждая из которых имеет существенное значение. Рассмотрим их более подробно.
Подготовительная термическая обработка
Перед началом процедуры, деталь должна быть подготовлена. Поверхность обрабатывается путем закалки при температуре от +940 °C и выше (конкретный предел теплозависим от сортов стали). Для охлаждения изделия, закаленные детали погружают в воду или масло. Затем к ним применяется метод термической обработки в диапазоне +600…+700 °C. Это необходимо для достижения улучшения пластичности и снижения общей хрупкости, в то время как исходная прочность остается фиксированной.
Механическая обработка
Чтобы придать изделию необходимый внешний вид, его шлифуют. Этот процесс позволяет удалить заусенцы и другие дефекты с поверхностного уровня, которые могут негативно повлиять на качество готового изделия. Параллельно со шлифовкой осуществляется тонкая подгонка линейных размеров и геометрических параметров детали. Важность этого этапа обусловлена тем, что от точности конфигурации и габаритов изделий, соответствующих проектный требованиям, зависит их эксплуатационная надежность. Для защиты участков, которые не требуют усиления, наносят плотное оловянное покрытие или жидкое стекло. Закрытые таким образом части не подвержены проникновению атомов азота, благодаря чему структура кристаллической решетки в указанных местах остается неизменной.
Азотация
В этом этапе важно соблюдать температурные нормы, согласно установленным требованиям к качеству готовой продукции. Температура нагрева рабочей среды меняется в зависимости от конкретного сорта стали. Металлический сплав выдерживается в камере или резервуаре при температуре в течение определённого времени. Для достижения равномерного поверхностного слоя нужной толщины с установленной степенью твердости крайне важно строго следовать указанным параметрам.
Финишная обработка
На заключительной стадии технологического процесса выполняется тонкая шлифовка и полировка поверхности с целью достижения заданной геометрии. Игнорировать этот финальный этап не следует. Процесс азотирования металла происходит при достаточно высоких температурах, что может привести к минимальным изменениям габаритов. Даже небольшие отклонения от нормы могут стать причиной производственного брака.
Заключение
Заказать azотирование стали можно в компании Profbau. Сотрудничество с нашими специалистами гарантирует получение ожидаемого результата, независимо от сложности поставленных задач. Мы предоставляем разнообразные услуги по азотированию металлических заготовок, деталей, изделий и конструкций с участием ведущих экспертов в этой области. В процессе всех работ мы используем лишь современное оборудование высокого уровня точности и производительности, а также строго соблюдаем срокии выполнения обязательств, предусмотренных контрактом. Мы работаем с клиентами всех категорий и взаимодействуем с заказчиками как при личных встречах, так и в дистанционном режиме — по телефону или онлайн.
Преимущества компании Profbau:
- Квалификация и высокий уровень подготовки наших сотрудников;
