Азотирование стали: задачи и методы

Что это такое? Азотирование стали – это современный термохимический процесс, целью которого является изменение прочностных и коррозионностойких характеристик сплава. Аналогом его является цементация, которая уступает по качеству.

Как осуществляется? Для этой процедуры подходят только определенные типы стали. Также перед началом работ необходимо определиться с конкретным методом азотирования, выбрать рабочую среду для процесса и провести необходимую обработку изделия.

Суть азотирования стали

Главное в данной методике – термическая обработка металлических заготовок при постоянном притоке аммиака. Для азотирования стали используют специальное оборудование – печи с герметичной камерой.

Цель азотирования стали заключается в придании заготовкам новых качеств:

• Повышение износостойкости изделий в результате роста поверхностной прочности стали.
• Снижение риска появления участков с усталостью металла.
• Образование защитного поверхностного слоя, обеспечивающего коррозионную стойкость, устойчивость к воздействию агрессивных агентов, к ударной деформации при прямом контакте.

Отличительной чертой данной технологии является то, что при азотировании детали не меняют своей геометрии, так как нет воздействия экстремальной температуры. Благодаря этой особенности азотирование можно производить после таких этапов предварительной обработки изделий, как максимально точные шлифовка и отпуск.

Также немаловажной особенностью метода является стабильность приобретенных качеств. В отличие от цементации, к примеру, когда уже при +225 °С начинает снижаться твердость металла, механические характеристики изделия после азотирования не ухудшаются с течением времени или при нагреве.

Азотирование стали позволяет достичь полезных изменений в эксплуатационных качествах сплава. Долговечность и прочность металла, прошедшего через этот процесс, как правило, вдвое выше, чем у стали после закаливания по классическим методикам.

От того, какой конкретно способ был использован для подготовки металла, он может приобретать разные характеристики. Главное, что метод азотирования придает стали качества, которые остаются неизменными даже при воздействии экстремальной температуры, достигающей +500 °С. Ни одна другая технология не способна придать металлу такие устойчивые характеристики.

Виды азотирования стали

Для азотирования металла не нужна особо высокая температура, что позволяет сохранять неизменными точные размеры и конфигурацию деталей. Особенно ценным является это качество при обработке изделий, уже прошедших тонкую подгонку шлифованием. После насыщения азотом достаточно полировки деталей.

К основным минусам термохимических методов следует в первую очередь отнести их дороговизну. На азотирование стали уходит много времени, полный цикл занимает до двух с половиной суток, так как насыщение поверхностных слоев металла – медленный процесс. Кроме того, применение этого способа требует специализированного оборудования.

Газовая азотизация

Классический метод азотирования подразумевает применение газовой среды. Для ее создания используют смесь, состоящую поровну из аммиака и пропана или эндотермического газа. Для насыщения металла азотом создается температура, доходящая до +579 °С. Непосредственно диффузия занимает примерно три часа. Полученный при этом поверхностный защитный слой довольно тонок, но его отличает высокая твердость.

Традиционное азотирование стали имеет ряд разновидностей, среди которых стоит упомянуть каталитическую газовую азотацию. Особенность этого метода в том, что для увеличения числа свободных атомов азота аммиак подвергают предварительной обработке.

Повысить скорость диффузии позволяет азотирование в жидкой среде. Расплав цианистых солей здесь выступает в качестве рабочей среды. Азотирование производят при +570 °С.

Данная технология подразумевает насыщение поверхностных слоев металла атомами азота в разреженной среде под воздействием электрического тока, для чего к герметичной камере подводят напряжение. Контейнер в этом случае выступает в качестве анода, а само изделие служит катодом. Благодаря ионному потоку образуется плазма, нагревающая поверхность металлической детали. Происходит диффузное насыщение стали азотом и образуется твердый защитный слой.

Термохимический процесс

При азотировании стали по этой методике стальные изделия загружают в муфель – герметичную стальную реторту – и отправляют в специальные печи. К реторте подводят аммиак из специального резервуара. Воздействие температуры приводит к проникновению атомов азота в верхние слои металла, на поверхности деталей образуется твердый слой.

Аммиак во всех этих процессах используют потому, что он при создании определенных условий освобождает входящий в его состав азот. Далее происходит диффузное насыщение поверхности металлических деталей азотом, что ведет к образованию нитритов, которые и служат причиной повышения твердости и коррозионной стойкости стали. По окончании азотирования печь постепенно охлаждают, что позволяет предотвратить окисление металла. Максимальная толщина азотированного слоя достигает 0,6 мм.

Течение процесса азотирования стали в первую очередь зависит от:

• температурного режима;
• давления газа;
• степени разложения аммиака;
• времени выдержки.

Повышение температуры ускоряет процесс диффузии, но может приводить к коагуляции нитридов и снижению твердости защитного слоя.

Стали, подходящие для азотирования

Данный метод применим как к углеродистым, так и к легированным сталям, содержащим углерод в диапазоне от 0,3 до 0,5 %. Азотирование проходит наиболее эффективно, когда в составе стали присутствуют легирующие добавки, которые способствуют формированию твердых и термостойких соединений азота. Этой цели служит добавление в состав сплава молибдена, хрома, алюминия и ряда других элементов со схожими свойствами.

У молибдена есть один недостаток, который ограничивает его использование при легировании стальных сплавов – с его добавлением вероятно появление отпускной хрупкости, возникающей во время постепенного остывания стали.

Входящие в состав металла легирующие добавки одновременно с увеличением твердости поверхностного защитного слоя приводят к уменьшению его толщины. Сильнее всего такой эффект проявляется при добавлении вольфрама, молибдена, хрома и никеля.

Рассмотрим, какие марки стали рекомендованы специальной литературой для азотирования:

• 38Х2МЮА. Эта марка стали в процессе азотирования образует наружный защитный слой высокой твердости. Отличается относительно невысокой устойчивостью к деформированию, но одновременно содержание алюминия способствует эффективному диффузному насыщению металла азотом с формированием твердого и износостойкого поверхностного слоя. При исключении алюминия из состава стали такой металл пригоден для изготовления деталей сложной геометрии.
• 40Х, 40ХФА. Эти марки стали с легирующими компонентами широко применяются для производства деталей станков.
• 30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА. Марки этой группы идут на изготовление деталей, подвергающихся при работе изгибающим нагрузкам.
• 30Х3МФ1. Эта сталь применяется для изготовления деталей сложной конфигурации, когда критически важна особая точность линейных размеров и геометрии. Металл в основном идет на производство комплектующих для топливного оборудования. Твердость сплава обеспечивает добавление кремния.

Помимо машино- и станкостроения, азотированные стали все чаще применяются в бытовых агрегатах, так как прогресс не стоит на месте и требования к такой продукции растут с каждым днем.

Среды для азотирования стали

Каждая разновидность стали требует определенных условий и специфических технологий для максимально эффективного диффузного азотирования. Одним из наиболее часто применяемых вариантов стало применение для насыщения стали азотом аммиачно-пропановой газовой смеси. Среду формируют, смешивая газы в равных частях.

Оптимальный температурный режим – +570 °С. Время выдержки – около трех часов. При соблюдении этих параметров удается получить особенно прочный и износостойкий защитный слой.

В зависимости от толщины показатели твердости колеблются от 600 до 1 100 единиц по шкале Бринелля. Данный метод применим для выпуска деталей из легированных сталей, которые должны отвечать особо строгим требованиям по прочности и износостойкости. Для дополнительного усиления металла часто используют ионно-плазменную азотацию. При этом деталь выступает в роли отрицательного электрода, а муфель – положительного.

Метод карбонитрирования заключается в азотировании стали в расплаве цианистых солей. Применение этой технологии позволяет существенно сократить затраты времени. Азотирование в жидкой среде оптимально для получения защитного слоя с максимальной твердостью, износоустойчивостью и коррозионной стойкостью, однако этот метод не применим для обработки деталей больших размеров.

Кроме того, эта технология имеет ряд существенных недостатков: высокая стоимость и вред, который могут причинить при вдыхании пары цианистых солей.

Этапы азотирования стали

Подготовительная термообработка

Для подготовки изделий к азотированию их подвергают закаливанию с последующим высоким отпуском. Стальные детали закаливают при температуре от +940 °С. Для охлаждения изделий при закалке используют воду или масло. Вслед за закаливанием заготовки проходят отпуск при температуре +600…+700 °С. Закалка и отпуск придают стали повышенную твердость.

Механическая обработка

Готовые детали шлифуют, производя тонкую подгонку линейных размеров и геометрии. Этот этап очень важен, так как от конфигурации изделий и точности габаритов во многом зависят их эксплуатационные характеристики.

Также на этом этапе наносят защитный слой на участки, которые не должны подвергаться азотации. В этом качестве используют олово или жидкое стекло, покрывая ими требуемые участки. Толщина пленки не превышает 0,015 мм. Электролиз позволяет надежно закрепить защиту на поверхности металла. Благодаря устойчивости слоя к воздействию азотистой среды покрытые защитой участки не подвергаются азотированию.

Азотирование

Различные марки стали требуют разных температурных режимов для насыщения верхних слоев азотом. Металл подвергается выдержке при выбранной температуре в течение требуемого времени. Соблюдение временного и температурного режима обеспечивает эффективную азотацию и создание поверхностного слоя с заданной твердостью.

Итоговая обработка

На заключительном этапе производят тонкую шлифовку и полировку изделий, доводя геометрию до требуемых значений. Это необходимо, так как азотирование может приводить к незначительным изменениям размеров детали. Даже несмотря на минимальную термическую обработку при азотировании, геометрия изделия может претерпеть изменения. Именно финишная обработка позволяет обеспечить необходимые эксплуатационные качества конечной продукции.

Если деформация детали в процессе азотирования недопустима и к геометрии предъявляются повышенные требования, можно прибегнуть к ионно-плазменной азотации, которая сводит к минимуму любые изменения конфигурации и линейных размеров заготовок. Этот метод отлично зарекомендовал себя.

К несомненным плюсам технологии следует отнести относительно невысокие температуры, которым подвергают металл в процессе диффузионного насыщения азотом его поверхностных слоев. Препятствием к повсеместному и постоянному применению этого метода является высокая стоимость таких элементов, как сменные муфели.