Азотирование стали в домашних условиях

Азотирование стали в домашних условиях

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.

RIP57 › Блог › Азотирование

Всем привет ребята! есть возможность сделать азотирование деталей двигателя, в частности распредвалов. кто не знает что такое азотирование, смотрите в нете) ну и вообще по термообработке, цементация. вопросы в личку)
вот видос запилил с коленвалом

Смотрите также

Комментарии 13

Здравствуйте. А вопросы по обработке еще актуальны?

Любопытно каким методом происходило азотирование и из какой стали колено.
Насколько я знаю для некоторых коленей (к примеру авиационных) азотирование в классическом формате при температурах свыше 350* критично ТК это уже выше температуры отпуска. По этому интересно что можно азотировать а что нельзя. Если я не ошибаюсь ИПА азотирование на данный момент позволяет наиболее точно и глубину диффузии контролировать и температуру не хуже обычных печей, но там нижний порог что-то вроде 352*с

азотирование происходило в печи при температуре 510. газовое азотирование в среде аммиака. колено скорее всего из чугуна. первое запустили пробно, получилось очень хорошо. сделано уже порядка 10 коленвалов. до ИПА наше производство пока не доросло, по этому довольствуемся пока что тем что есть))ИПА ускоряет процесс, но конечный результат практически ничем не отличается от газового.

Молодцы! Делаете ли вы суперфиниш после азотирования?

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

После азотирования термичка еще?! Колени на что делали?

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

Рекомендую суперфиниш делать ТК после азотирования нужно сносить верхушки буквально пяток микрон

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

Недостатком химико-термического процесса азотирования является образование на наружной поверхности тонкого слоя различных нитридных соединений. Этот слой толщиной 10—20 мкм под действием нагрузки «шелушится», что приводит к повышенным износам подшипников.

Для устранения этого явления шейки коленчатого вала после азотации проходят суперфиниширование с последующей полировкой.

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

Хотябы пяток, хотябы полернуть

Ну я к тому сказал что именны мы не делаем. Заказчик предоставляет проточенные валы, наша задача только термообработка. Далее заказчик уже полирует шейки самостоятельно.

Азотирование
насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. А. подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто — легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.
Азотирование стали происходит при t 500—650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 → 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре А. ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): ε — нитрида Fe2N, γ’ — нитрида Fe4N, α — азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре А. 600—650° С возможно образование ещё и γ-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591°C на эвтектоид α + γ1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2) и сохраняется при повторных нагревах до 500—600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. А. — длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2—0,4 мм требуется 20—50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих А., применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя А. жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

интересно а если внутрянки кпп азотировать, лучше станет ?)

в основном азотируется только то, что на трение работает. как правило зубья на шестернях в коробке не стираются друг о друга) не вижу смысла

RIP57 › Блог › Азотирование

Всем привет ребята! есть возможность сделать азотирование деталей двигателя, в частности распредвалов. кто не знает что такое азотирование, смотрите в нете) ну и вообще по термообработке, цементация. вопросы в личку)
вот видос запилил с коленвалом

Смотрите также

Комментарии 13

Здравствуйте. А вопросы по обработке еще актуальны?

Любопытно каким методом происходило азотирование и из какой стали колено.
Насколько я знаю для некоторых коленей (к примеру авиационных) азотирование в классическом формате при температурах свыше 350* критично ТК это уже выше температуры отпуска. По этому интересно что можно азотировать а что нельзя. Если я не ошибаюсь ИПА азотирование на данный момент позволяет наиболее точно и глубину диффузии контролировать и температуру не хуже обычных печей, но там нижний порог что-то вроде 352*с

азотирование происходило в печи при температуре 510. газовое азотирование в среде аммиака. колено скорее всего из чугуна. первое запустили пробно, получилось очень хорошо. сделано уже порядка 10 коленвалов. до ИПА наше производство пока не доросло, по этому довольствуемся пока что тем что есть))ИПА ускоряет процесс, но конечный результат практически ничем не отличается от газового.

Молодцы! Делаете ли вы суперфиниш после азотирования?

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

После азотирования термичка еще?! Колени на что делали?

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

Рекомендую суперфиниш делать ТК после азотирования нужно сносить верхушки буквально пяток микрон

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

Недостатком химико-термического процесса азотирования является образование на наружной поверхности тонкого слоя различных нитридных соединений. Этот слой толщиной 10—20 мкм под действием нагрузки «шелушится», что приводит к повышенным износам подшипников.

Для устранения этого явления шейки коленчатого вала после азотации проходят суперфиниширование с последующей полировкой.

Никакую мех обработку не делаем. Только термообработка.

Хотябы пяток, хотябы полернуть

Ну я к тому сказал что именны мы не делаем. Заказчик предоставляет проточенные валы, наша задача только термообработка. Далее заказчик уже полирует шейки самостоятельно.

Азотирование
насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. А. подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто — легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.
Азотирование стали происходит при t 500—650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 → 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре А. ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз (рис.): ε — нитрида Fe2N, γ’ — нитрида Fe4N, α — азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре. При температуре А. 600—650° С возможно образование ещё и γ-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591°C на эвтектоид α + γ1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2) и сохраняется при повторных нагревах до 500—600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. А. — длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2—0,4 мм требуется 20—50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих А., применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя А. жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

интересно а если внутрянки кпп азотировать, лучше станет ?)

в основном азотируется только то, что на трение работает. как правило зубья на шестернях в коробке не стираются друг о друга) не вижу смысла

Влияние предварительного окисления поверхности на процесс азотирования сталей, содержащих хром Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Петрова Л. Г., Александров В. А., Шестопалова Л. П.

The new method of nitriding alloyed steels consisting of previous oxidizing of items in the atmosphere of air for forming on their surfaces a kind of energy barrier from ferrous oxides is suggested. The calculation of oxide layer thickness is given. The mechanism of growing nitriding layer under the barrier oxide layer is discussed as well as the specificity of its structure and phase composition.

Текст научной работы на тему «Влияние предварительного окисления поверхности на процесс азотирования сталей, содержащих хром»

ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРОЦЕСС АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ ХРОМ

Л.Г. Петрова, профессор, д.т.н., В.А. Александров, доцент, к.т.н., Л.П. Шестопалова, инженер, МАДИ (ГТУ)

Аннотация. Предложен новый метод азотирования легированных сталей, который заключается в предварительном окислении изделий в атмосфере воздуха для создания на поверхности энергетического барьера из оксидов железа. Дан расчет толщины оксидной пленки. Обсуждается механизм формирования азотированного слоя под барьерным оксидным слоем, особенности его структуры и фазового состава.

Ключевые слова: оксидный энергетический барьер, твердый раствор, нано-порошок, мелкодисперсные нитриды.

Для большой номенклатуры деталей, используемых в нефтегазодобывающей отрасли, деталей гидроаппаратуры, работающих в условиях износа, больших удельных нагрузок и агрессивных сред, используют легированные стали, подвергаемые поверхностному упрочнению азотированием. Для обеспечения высокой твердости и ее сохранения при длительном воздействии температур стали должны содержать достаточное количество легирующих элементов, необходимых для образования устойчивых нитридов.

Цель и постановка задачи

Известно, что для деталей, которые работают в парах трения и испытывают знакопеременные нагрузки, требуется азотированный слой с оптимально-легированной нитридной зоной и развитым диффузионным подслоем (зоной внутреннего азотирования) [1 – 3]. Устойчивые мелкодисперсные нитриды затрудняют диффузию азота в металле и тем самым повышают стабильность слоя. Наиболее рациональным легирующим элементом для сталей, подвергаемых азотированию, является хром, который оказывает существенное влияние на формирование твердости поверхностного слоя и на распределение твердости в азотированном слое в направлении от поверхности к сердцевине. Если азотиро-

ванию подвергаются высокоточные детали, исключающие последующую механическую обработку, важным требованием является сохранение размеров деталей после азотирования. Образование упрочненного слоя на деталях из хромистых сталей, состоящего из твердого раствора мелкодисперсных нитридов хрома и азота, без нитридов железа, может обеспечить сохранение упрочненной поверхностной зоны и исключить изменение размеров, а также улучшить служебные характеристики деталей.

В работе решалась задача создания технологии низкотемпературного азотирования легированных хромистых сталей с образованием упрочненного слоя из твердых растворов дисперсных нитридов CrN и азота в Fea. Были рассмотрены стали с различным содержанием хрома.

Технология азотирования легированных сталей в аммиаке с предварительным окислением в атмосфере воздуха

Так как свободная энергия образования нитридов хрома значительно ниже, чем энергия образования нитридов железа [4], то чтобы исключить выделение нитридов железа, необходимо снизить кинетическую энергию ионов азота, участвующих в процессе азотирования. Этому способствует барьер на пути проникновения ионов азота в металл в виде

оксидной пленки, которая формируется при предварительном контролируемом окислении поверхности перед насыщением азотом. Структура и фазовый состав барьерной оксидной пленки оказывают определяющее влияние на кинетику последующего процесса азотирования.

Кинетика окисления сталей рассматривалась с учетом исследований Дворцина [5], подтверждающих, что при низкотемпературном окислении существенных изменений в структуре и глубине окисленного слоя не наблюдается. Для определения скорости роста оксидных пленок на сталях с содержанием хрома от 1 до 13 % было проведено окисление сталей в течение двух часов. Скорость роста оксидной плёнки контролировалась увеличением веса образца по отношению к площади его поверхности

где АР – привес образца, кг; 5 – площадь поверхности образца, м2; т – время выдержки, с.

Для каждой стали были рассчитаны константы скорости окисления

где К – константа скорости насыщения, кг2/м2сек; К0 – коэффициент пропорциональности; Q – эффективная энергия активации, определяемая скоростью насыщения, кал/моль; Я – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура, К.

Согласно работам [6,7] и в соответствии с результатами, полученными в данной работе, структура оксидной пленки состоит в основном из Бе203 и Бе304. Определено, что более плотная и оптимальная по толщине оксидная пленка на всех образцах формируется через 15 минут окисления. По формуле, предложенной Гопкинсом [7], была рассчитана толщина оксидной пленки

где – толщина оксидной плёнки, нм; Аш -увеличение веса, г; иок – молекулярный объем оксидной плёнки; М02 – молекулярный

вес кислорода, умноженный на число атомов кислорода в соответствующем соединении.

Установлено, что толщина оксидной плёнки с увеличением процентного содержания Сг в стали уменьшается (рис. 1), в высокохромистых сталях толщина пленки находится в на-норазмерном диапазоне.

Рис. 1. Зависимость толщины оксидной плёнки от содержания Сг в стали

В процессе дальнейшего азотирования диффузионный слой формируется под энергетическим барьером из оксидных плёнок.

Оксидная плёнка, образованная на поверхности детали, является источником свободных электронов, которые легко эмитируют с поверхности [8]. Высокая энергия эмитирующих электронов повышает интенсивность ионизации насыщающего газа (аммиака). Эмиссия ионов из оксидной пленки позволяет создавать вокруг детали электрическое поле, ускоряющее движение образовавшихся ионов азота к поверхности изделия. Определенная часть ионов азота проникает через оксидную барьерную пленку к поверхности стали, что приводит к формированию азотированного слоя.

Таким образом, оксидная плёнка, с одной стороны, служит источником потока электронов, ионизирующих газ насыщающей атмосферы, с другой – буферной зоной, поглощающей часть кинетической энергии ионов этой атмосферы.

Толщина и структура диффузионного слоя зависят от времени выдержки изделий в атмосфере аммиака. При кратковременной выдержке (

1 час) стали 30ХМВС рентгено-структурный анализ (РСА) показал наличие на поверхности оксидов железа, а под ним -твердого раствора легирующих элементов и азота в а-железе, о наличии которого можно

судить по уширению линии Fea. С увеличением времени азотирования толщина диффузионного слоя увеличивается, и образуется упрочненный слой, разделенный беспористой наноразмерной оксидной плёнкой на две зоны (рис. 2). Под оксидной плёнкой упрочненная поверхность представляет собой дисперсно-упрочненный нитридами хрома CrN твердый раствор. На поверхности оксидной плёнки стали 40Х13 методом РСА зафиксирован высокоазотистый нитрид железа Fe2-3N (s-фаза) (рис. 3).

Рис. 2. Микроструктура упрочненной зоны стали 40Х13, полученной азотированием через энергетический барьер (4з=580°, Таз= 4 час)

Рис. 3. Нанопорошок нитрида железа

Образование нитрида Бе2_3К на оксидной плёнке возможно только при появлении на ее поверхности железа, которое моментально будет вступать в реакцию с азотом, находящимся в атмосфере. Можно предположить, что оксидная плёнка работает по принципу мембраны и пропускает через себя элементы с незначительными атомным радиусом. Возможно, часть атомов железа диффундирует наружу через плёнку, либо происходит восстановление железа водородом из оксидной плёнки по реакции

Высокоазотистая в-фаза, образованная на поверхности оксидного слоя, не спекается в сплошную нитридную корку, так как температура плавления нитрида значительно выше рабочей температуры азотирования. Образо-

вавшиеся на поверхности нитриды представляют собой порошок (рис. 3), имеющий низкую прочность связи с поверхностью.

Упрочненный слой, полученный на стали 40Х13 (рис. 2), представляет тонкий конгломерат фаз, отличающийся высокой плотно -стью и твердостью с понижением твердости на поверхности, что можно объяснить присутствием на поверхности порошкообразного нитрида железа (рис. 4).