Процесс азотирования стали

Процесс азотирования стали

Цементация может проводиться в твердых, газообразных и жидких углеродсодержащих средах, которые называются карбюризаторами. Нагрев осуществляют в среде, легко отдающей углерод.

Цементация в твердой среде

Наиболее старым способом является цементация в твердой среде. Детали укладываются в стальной ящик, должны быть полностью покрыты карбюризатором(уголь) и не касаться друг друга и стенок ящика. Ящик герметично закрывается и загружается в печь. При нагреве образуется окись углерода (CO), которая в свою очередь разлагается на углекислый газ (СО₂) и атомарный углерод. Так как детали нагреты до температуры выше критической точки Ас₃, атомарный углерод проникает вовнутрь мягкого железа.

Режимы обработки: 900-950 градусов, 1 час выдержки на 0,1 мм толщины цементированного слоя. Для получения 1 мм слоя — выдержка 10 часов.

В последнее время нашла широкое применение цементация газами. Детали загружают в печи в которые вводят цементующие газы (окись углерода и метан). При нагреве газ разлагается, образуя атомарный углерод. Продолжительность процесса газовой цементации меньше, чем цементации твердым карбюризатором, так как нагрев и охлаждение производятся с большими скоростями, чем это можно осуществить в цементационных ящиках. Кроме этого, газовая цементация имеет ряд других преимуществ: возможность точного регулирования процесса цементации путем изменения состава цементующего газа, отсутствие громоздкого оборудования и угольной пыли и возможность производить закалку непосредственно из печи. Процесс газовой цементации более экономичен

Какие материалы подвергаются цементации?

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %) или легированные низкоуглеродистые стали марок: 20Г, 20Х, 20ХФ, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА, 20ХГНР и др. Данной обработке подвергают такие детали машин и аппаратов, которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую сердцевину, такие как: зубчатые колеса, коленчатые валы, кулачки, червяки, поршневых пальцев, отвалов плугов и др.

Свойства металла после обработки.

В результате цементации достигается только выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая термообработка. Все изделия подвергают закалке с низким. После закалки цементованное изделие приобретает высокую твердость (50..58HRC) и износостойкость, повышается предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе, при сохранении вязкой сердцевины.

Азотирование – процесс насыщения поверхностного слоя детали азотом, с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости.

Азотирование проводится при 500–600 °С в герметично закрытом контейнере из железа, который внедряется в печь. Его разогревают до температуры соответствующей выбранному режиму, и выдерживается необходимое время. В контейнер закладывают детали, которые будут подвержены азотированию.

Туда же под определенным давлением запускается аммиак, который под действием высоких температур диссоциирует на водород и атомарный азот, который в свою очередь проникает в поверхностный слой мягкого металла, образуя нитриды с элементами, входящими в состав стали, алюминием, хромом, молибденом. Они имеют высокую твердость. По окончании процедуры печь плавно охлаждается вместе с потоком аммиака.

Толщина нитридного слоя может варьировать от 0,3 до 0,6 мм. Таким образом, отпадает надобность в последующей термической обработке с целью повышения прочностных характеристик.

Нитриды железа обладают сравнительно невысокой твердостью и незначительно повышают ее в стали. Следовательно, для азотирования применяют легированные стали, содержащие алюминий, хром и молибден, такие как 38ХМЮА, 18Х2Н4ВА и др.

Азотированию подвергают также детали из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей, работающих на трение в агрессивных средах и при высоких температурах; матрицы и пуансоны для горячей штамповки, пресс-формы из инструментальных сталей для литья под давлением (Х12Ф1, ЗХ2В8Ф и др.); пружины из сталей 50ХФА, 60С2. Для азотирования целесообразно применять стали, содержащие титан.

Если азотирование проводится с целью повышения коррозионностойкости, то этому процессу подвергаются также и углеродистые стали.

Азотирование – зачем выполняется этот вид химико-термической обработки стали

Азотирование является одним из видов химико-термической обработки сплавов и металлов, цель которой состоит в придании им повышенных прочностных характеристик.

1 Азотирование стали – суть процесса, механизм формирования защитного слоя

Данный способ обработки подразумевает насыщение поверхностного слоя стали азотом при ее нагреве в аммиачной атмосфере. Итогом процедуры является:

• повышение износостойкости металлических деталей и твердости их верхней части;
• увеличение выносливости стальных изделий;
• придание обрабатываемому материалу высоких антикоррозионных свойств.

Описываемый процесс в несколько раз более эффективен, нежели цементирование стали.

Характеризуемый мартенситным строением цементованный слой сохраняет повышенные показатели твердости при температурах не выше 225 ˚С. А вот при обработке металла азотом данная величина повышается до 550–600 ˚С.

Схема создания азотированного слоя достаточно сложна, но хорошо освоена специалистами металлургической сферы. В сплаве азота и железа наблюдается формирование таких фаз:

• раствор (твердый) Fe3N, в котором азота содержится от 8 до 11,2 %;
• раствор (твердый) Fe4N (азота – от 5,7 до 6,1 %);
• раствор N в α-железе.

При температурах превышающих показатель в 591 ˚С имеется еще одна фаза, распад которой происходит эвтектоидно, что приводит к образованию 2,35 % азота.

Сам процесс насыщения металла, осуществляемый в аммиачной атмосфере, проходит по уравнению 2NH3 → 2N + 6H. Атомарный N, который образуется в результате данной реакции, диффундирует в железо. В тех случаях, когда насыщение стали азотом выполняется при температуре менее 591 градуса, сначала появляется α-фаза. Следующая же фаза стартует только тогда, когда α-структура достигает лимита насыщения.

2 Азотирование металла – технология процесса

Химико-термическая обработка поверхностей сплавов и сталей с использованием азота производится в несколько стадий:

1. Выполняется термическая предварительная обработка металла, включающая в себя две операции – его закалку и отпуск (высокий). Такая обработка обеспечивает высокую вязкость и прочность сердцевины детали. Закалка стали осуществляется при высоких температурах (в районе 940 ˚С) с последующим охлаждением в масле либо обычной воде. Температура отпуска – от 600 до 670 ˚С. Столь высокая ее величина обусловлена необходимостью придания изделию твердости, необходимой для выполнения эффективной его резки.
2. Производится механическая обработка заготовки, а затем и шлифование металла. Эти операции требуются для того, чтобы деталь имела требуемые (финальные) геометрические параметры.
3. Защита частей металлической поверхности, которые не планируется насыщать азотом. Сделать это несложно путем применения жидкого стекла либо олова, которое наносится толщиной не более 0,015 миллиметра на заготовку по электролитической технологии. Олово формирует непроницаемую тонкую пленку, которую азот преодолеть не может.
4. Непосредственно насыщение стали азотом.

После проведения всех этих процедур выполняется доводка либо шлифовка деталей.

Тонкостенные заготовки сложной формы упрочняются при температурах до 520 ˚С. А продолжительность операции зависит от того, какой слой азота планируется получить в результате обработки. При этом нужно помнить, что толщина слоя будет увеличиваться, а твердость уменьшаться при повышении температуры проведения процедуры.

Снижение показателя твердости вызывается коагуляцией нитридов. Как правило, толщина упрочненного слоя должна быть на уровне 0,3–0,6 мм. Исходя из этого и подбирают температуру операции, а также ее продолжительность. Чаще всего она длится от 24 до 60 часов при температуре в пределах 500–520 градусов.

Геометрические размеры заготовки при описываемой нами химико-термической обработке из-за повышения объема поверхности могут незначительно изменяться. Величина увеличения деформации при этом напрямую зависит от толщины слоя и повышения температуры процесса.

Если требуется ускорить операцию насыщения азотом металлов, ее проводят в две ступени – при температурах до 520 ˚С (первый этап) и от 540 до 560 ˚С (второй этап). Подобная схема уменьшает длительность процесса, а твердость полученного слоя остается такой же высокой, как и при использовании стандартной методики. Охлаждение заготовки после процедуры выполняется в аммиачном потоке вместе с печью. Это не дает поверхности окислиться.

На большинстве современных предприятий интересующая нас методика упрочнения поверхности стали осуществляется в печах шахтного типа, в которых рабочая максимальная температура равняется 700 ˚С, а газ циркулирует принудительно. Подобные печи могут иметь стационарный либо сменный муфель.

Если применяется два муфеля, операция проходит намного быстрее: сменный муфель с заготовками загружается в агрегат сразу же после того, как первый с готовыми деталями вынимается из него. Но не всегда данная схема экономически целесообразна. Например, когда азотом насыщаются поверхности крупных по размерам деталей, рекомендуется выполнять их обработку в одномуфельных печах.

3 Различные среды для проведения процесса азотирования стали

Сейчас достаточно активно используется методика насыщения металлов азотом, осуществляемая в атмосфере, состоящей из 50 % аммиака и 50 % пропана либо из аммиака и эндогаза в тех же равных пропорциях. Длится процедура не более 3 часов при температуре 570 градусов. В результате формируется карбонитридный слой небольшой толщины, который характеризуется повышенной износостойкостью и малой хрупкостью по сравнению со слоем, получаемым по обычной схеме.

Твердость слоя в данном случае варьируется в пределах 600–1100 НV (для легированных сплавов и сталей). Рекомендована методика для тех изделий, к которым выдвигаются повышенные требования по величине предела выносливости в процессе эксплуатации.

Существует и технология химико-термического упрочнения металлов, предполагающая выполнение операции в тлеющем разряде. Производят ее в азотсодержащей разряженной атмосфере посредством подключения заготовки к катоду (отрицательно заряженный электрод). Контейнер агрегата при этом выполняет функцию положительного электрода (анода).

Методика с применением тлеющего разряда обеспечивает снижение общей длительности операции в несколько раз. Суть ее такова: разряд возбуждается между анодом и катодом, ионы газа (N2 или NH3) направляются на поверхность отрицательно электрода и нагревают его до требуемой температуры. Процесс идет в два этапа. Сначала, используя катодное распыление, поверхность очищают, а затем осуществляют непосредственно насыщение.

Распыление выполняется при давлении до 0,2 мм рт. ст. и напряжении до 1400 В на протяжении 5–60 минут. Поверхность в течение этой операции имеет температуру до 250 ˚С. Затем приступают ко второй стадии обработки металла, которая проводится при следующих условиях:

• 1–24 часа – длительность;
• 400–1100 В – рабочее напряжение;
• 1–10 мм рт. ст. – давление;
• 470–580 ˚С – температура насыщения.

Также достаточно популярным считается и тенифер-процесс (насыщение азотом в жидкой среде), выполняемый в цианистых расплавленных слоях на протяжении 30–180 минут при температуре 570 градусов.

Азотирование стали

сталь азот термический химический

Азотированием называется ХТО, заключающееся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали азотом при нагревании в соответствующей среде. Азотированию подвергают гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, детали арматуры турбин, кулачки, эксцентрики и др. детали. Твердость азотированного слоя стали выше, чем цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 0 -500 0 С ), тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200-225 0 С. По сравнению с цементацией, этот процесс применяют сравнительно недавно. Промышленное применение азотирование получило лишь в 20-х годах нашего столетия.

Так как азотированный слой сам по себе (без какой-либо последующей термической обработки) приобретает высокую твердость, а размеры изделий после азотирования изменяются мало, то в отличие от процессов цементации азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском) и доведенных шлифовкой до точного размера.

Азотирование обычно проводят при 500–600° С. В железную герметически закрытую реторту (муфель), вставленную в печь, помещают детали, подвергаемые азотированию.

В реторту из баллона поступает с определенной скоростью аммиак, который разлагается в ней (диссоциирует) по реакции:

Образующийся атомарный азот диффундирует в металл.

Основанием для правильных представлений о процессах азотирования служит диаграмма состояния системы Fe–N.

В системе Fe–N возможно образование следующих фаз (на диаграмме однофазные области заштрихованы):

б-азотистый феррит, содержащий в растворе 0,1% N при 591 0 С и около 0,01% при комнатной температуре;

г-азотистый аустенит, существующий как равновесная фаза лишь выше эвтектоидной температуры (591° С);

г’-нитрид Fe₄N, фаза внедрения, имеющая решетку гранецентрированного куба;

е-нитрид Fe₃N, тоже фаза внедрения;

с весьма широкой областью гомогенности, Микроструктура азотированного слоя имеющая гексагональную решетку железа (t=650 0 C с медленным охлаждением).

Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения–нитриды (CrN, CrsN, MnN, TiN и т. д.).

Нитриды образуют металлы переходных групп (железо, хром, марганец, ванадий, вольфрам, молибден, титан). Высокая твердость азотированного слоя объясняется большой дисперсностью образующихся нитридов, тем больше, чем больше их термическая устойчивость.

Возможно, что присутствие алюминия в стали, кроме нитридов перечисленных элементов, вызывает образование нитрида AlN, ковалентные связи в котором обусловливают очень высокую его термическую устойчивость.

В азотированном слое присутствуют различные азотистые фазы в соответствии с диаграммой Fe–N и температурой процесса.

При температуре азотирования ниже эвтектоидной (591° С) азотированный слой состоит из трех фаз: е, г / и б.

Изотермическое сечение диаграммы Fe–N при температуре выше эвтектоидной (600–650° С) показывает, что при азотировании при этих температурах возможно образование четырех фаз: е, г / , г и б. При медленном охлаждении с этих температур г-фаза (азотистый аустенит) распадается при 591 0 С на эвтектоид б+г’.

Распределение азота по глубине слоя имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев.

На практике азотированию подвергают легированные стали. Наличие легирующих элементов, как и углерода, существенно не изменяет кинетику образования азотированного слоя.

Как и в чистом железе, при наличии легирующих элементов происходит последовательное образование насыщенных азотом слоев б, затем г’+б, затем е+г / +б; одновременно происходит образование нитридов специальных элементов (CrN, MoN, A1N и др.). Последние также образуются при охлаждении от температуры азотирования до комнатной вследствие уменьшения растворимости их в основных азотистых фазах.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

Глубина диффузионного слоя подчиняется общей параболической зависимости (), однако ввиду низких температур процесса (500-600° С) коэффициент К мал и наращивание слоя в процессе азотирования происходит очень медленно, приблизительно в десять раз медленнее, чем при цементации.

Скорость наращивания толщины слоя быстро увеличивается с повышением температуры, но возможность повышения температуры ограничена необходимостью получить при азотировании высокую твердость. Согласно современным представлениям, высокая твердость азотированного слоя обусловлена получением в процессе самого азотирования очень дисперсных нитридов. Чем выше температура, тем более крупные нитриды будут образовываться и тем ниже будет твердость.

Стали, содержащие элементы, образующие термически стойкие, т. е. не склонные к коагуляции нитриды (алюминия, а также хрома и молибдена), так называемые нитраллои, отличаются наиболее высокой твердостью азотированного слоя. Обычные конструкционные стали после азотирования имеют меньшую твердость, а твердость азотированных углеродистых сталей совсем невысока, так как в них специальные нитриды не образуются, а нитриды железа при 500° С и выше оказываются скоагулированными. Менее легированные стали азотируются легче, т. е. заданная глубина достигается при данной температуре за меньший отрезок времени. Наоборот, более легированные азотируются хуже, а в таких высоколегированных сталях, как нержавеющие, не удается получить глубину слоя более чем 0,20–0,25 мм.

Как было отмечено, азотируемый слой имеет сложную структуру и в свою очередь состоит из нескольких отличных по природе слоев.

В случае азотирования при температуре ниже эвтектоидной слой состоит из е+г / +б. Носителем твердости является нижний б-слой (вследствие выделения дисперсных нитридов); г’-слой очень тонок, часто даже не обнаруживается, а е-слой непрочный и хрупкий.

В случае азотирования при температуре выше эвтектоидной, например 650° С, слой при этой температуре состоит из следующих фаз: е+г / +г+б структура же после охлаждения претерпевает изменения, г-фаза (азотистый аустенит) при медленном охлаждении распадается на эвтектоид (так называемый браунит>:

а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение. В этом случае максимальной твердости отвечает мартенситный подслой.

Ранее отмечалось, что при азотировании твердость не зависит от условий охлаждения после проведения процесса. Это правильно лишь для азотирования при температуре ниже эвтектоидной. Следует иметь в виду, что температура эвтектоидного распада 591°С относится лишь к системе Fe–N; большинство легирующих элементов повышает эту температуру.

Виды азотирования: газовое, ионное, азотирование в жидких средах.

Азотирование стали

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивления коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементируемой стали и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 – 550 0 С), тогда как твердость цементируемого слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 – 225 0 С.

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют. Азотирование стальных изделий проводят интервале температур 500-620 0 С в аммиаке, который при нагреве диссоциирует, поставляя активный атомарный азот:

В системе Fе—N при температурах азотирования могут образовываться следующие фазы: α-раствор азота в железе (азотистый феррит), γ-раствор азота в железе (азотистый аустенит), промежуточная γ’-фаза переменного состава с г. ц. к. решеткой и промежуточная ε-фаза с г. п. решеткой и широкой областью гомогенности (от 8,1 до 11,1 % N при комнатной температуре). В общем случае формирование структуры диффузионного слоя азотируемой стали зависит от состава стали, температуры и длительности нагрева, а также и скорости охлаждения после азотирования. При азотировании стали при 590 ºС диффузионный слой состоит из трех фаз: ε, γ’ (Fe₄N), и α.

Высокая твердость и износостойкость азотируемых конструкционных сталей обеспечиваются нитридами легирующих элементов, которые существенно влияют на глубину азотированного слоя и поверхностную твердость. Наиболее высокая поверхностная твердость и износостойкость при азотировании достигается в хромомолибденовых сталях, дополнительно легированных алюминием, типичным представителем которых является сталь 38Х2МЮА.

Азотирование повышает предел усталости конструкционных сталей за счет образования в поверхностном слое остаточных напряжений.

Тонкий слой ε-фазы (0,01 — 0,03 мм) хорошо защищает простые углеродистые стали с содержанием углерода от 0,1- до 1,0 % от коррозии во влажной атмосфере и других средах.

Нитроцементация

Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией. Нитроцементацию проводят при более низких температурах (850 – 870 0 С) по сравнению с цементацией. Это обусловлено тем, что азот проникая в сталь одновременно с углеродом, понижает температуру существования твердого раствора на основе γ-железа и тем самым способствует науглероживанию стали при более низких температурах. Понижение температуры насыщения без увеличения длительности процесса позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, уменьшить нагрев печного оборудования. Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование.

Для нитроцементации рекомендуется использовать контролируемую эндотермическую атмосферу, к которой добавляют 3 – 15 % неотработанного природного газа и 2 – 10 % NН₃ или в случае шахтной печи – жидкий карбюризатор – триэтаноламин (С₂Н₅О)₃ N, который в виде капель вводят в рабочее пространство.

Нитроцементации обычно подвергают легированные стали с содержанием до 0,25% С. Продолжительность процесса 4-10 ч. Толщина нитроцементованного слоя составляет 0,2–0,8 мм. После нитроцементации следует закалка, либо непосредственно из печи с подстуживанием до 800 – 825 0 С, либо после повторного нагрева; применяют и ступенчатую закалку. После закалки проводят отпуск при 160 – 180 0 С.

При оптимальных условиях насыщения структура нитроцентируемого слоя должна состоять из мелкокристаллического мартенсита, небольшого количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и 25 – 30 % остаточного аустенита.

Твердость слоя после закалки и низкого отпуска составляет 58 – 64 HRC (5700 – 6900 HV). Высокое содержание остаточного аустенита обеспечивает хорошую прирабатываемость например, не шлифуемых автомобильных шестерен, что обеспечивает их бесшумность. Максимальные показатели прочности достигаются только при оптимальном для данной стали содержании на поверхности нитроцементируемого слоя углерода и азота.

В последние годы получил применение процесс низкотемпературной нитроцементации.

Низкотемпературную нитроцементацию проводят при 570 0 С в течение 0,5 – 3,0 час в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза (экзогаза) и 50 % аммиака или 50 % пропана (метана) и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe₃(N, C), обладающий высокой износостойкостью. Твердость такого слоя на легированных сталях составляет 5000 – 10000 HV. Низкотемпературная нитроцементация повышает предел выносливости изделий. Процесс рекомендован для замены жидкого азотирования в расплавленных цианистых солях.

Все эти виды упрочняющей термической обработки имеют свою специфику и особенности и, как правило, используются в различных технологических операциях при термической обработке сталей и сплавов.