Что происходит при азотировании

Что происходит при азотировании

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые ва­лы, гильзы цилиндров, червяки, валики, шестерни и др.)

До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500 — 600 °С в му­фелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак, так же возможно проведения азотирования в тлеющем разряде.

Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоци­ации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверх­ностью детали, а затем диффундируют вглубь.

При нагреве аммиака в изолированном объеме возможна лишь реак­ция с образованием молекулярного азота

который не может диффундировать в сталь без ионизации.

3 Описание структурного превращения происходящего при термической обработке и азотировании

Формирование структуры азотированной зоны в углеродистых ста­лях происходит примерно так же, как при азотировании железа. Поэто­му, пользуясь диаграммой состояния Fe — N, можно предска­зать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По мере

насыщения железа азотом при температуре ниже 590 °С снача­ла образуется α-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой γ-Фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя εфазы с ГП решеткой и упорядо­ченным расположением атомов в широком интервале концентраций азота.

При медленном охлаждении после азотирования вследствие пе­ременной растворимости азота в α- и ε- фазах про­исходит выделение вторичной γ||-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей:

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образования карбонитридных фаз.

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой ε-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Fe-N ε и γ`-фазы имеют сравнительно невысокую твердость— соответственно 450 HV и 550 HV. Значительно большая твердость достигается при азотировании специально легированных сталей, которые содержат более активные нитридообразующие элементы: Сr, Mo, Al, V, Ti.

При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической выдержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне.

4) Графики термообработки, влияние легирующих элементов на свойства стали

Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирования легированной стали 18Х2Н4ВА, содержащей, %: 0.16 — С; 1.4-Сr; 0.9-W, 0.3-Cu, 0.3-Si, 0.4-Mn, 4.2-Ni, 0.025-P, 0.025-S.

Влияние некоторых основных легирующих элементов на свойства сталей.

1. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Вольфрам и молибден. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Основная цель введения- уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода , улучшение свойств комплекснолегированных сталей в результате измельчения зерна, повышение стойкости к отпуску, увеличение прокаливаемости.

3. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей но он делает структуру стали чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы.

4. Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах.

5. Хром. Хром – растворяясь в феррите и цементите оказывает благоприятное влияние на механические свойства.

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.

Читайте также:  Конденсатор 100 мкф 400 вольт

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 500600 °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 — это термохимическое упрочение поверхности стальных и чугунных деталей, при которой насыщают азотом. Поверхностный слой изделия, насыщенный азотом, имеет в своём составе растворённые нитриды и получает крайне высокую микротвёрдость, значительную устойчивость к коррозии и улучшенные триботехнические свойства (уменьшение коэффициента трения). По уровню получаемой микротвёрдости азотирование превосходит цементацию и нитроцементацию.
Так же — детали подвергнутые азотированию держат свою повышенную прочность при нагреве до температуры 550–600°С. Для сравнения- после цементации твердость поверхностного слоя может начать ухудшаться при нагреве детали уже свыше 225°С.
В итоге можно четко констатировать — что прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.
Именно поэтому уже более 60 лет такие ответственные и подвергаемые жесткому нагреву детали ДВС как впускные и выпускные тарельчатые клапана обязательно подвергают азотированию.

Читайте также:  Предмет исполин сканворд 7

. . . . Другой важной чертой процесса азотирования стали является то, что при этом процессе детали нагревают лишь до 500-550°С. Такой достаточно щадящий процесс термического воздействия приводит к тому, что в даталях практически не возникает термических напряжений и последующих деформаций. Именно поэтому азотированию можно подвергать детали уже изготовленные «точно в размер». В отличие от азотирования, процессы цементирования или закалки предполагают нагрев до 850-950 °С, что приводит к серьезным последующим поводкам деталей (изменению их геометрии за счет появления внутренних напряжений) и необходимости далее шлифовать такие изделия. А шлифовать термоупроченные детали с высокой поверхностной твердостью- дело очень трудоемкое и дорогое….

Особенно такой щадящий режим термовоздействия на азотируемые детали характерен для передовой методики ионно-плазменного азотирования, где нагрев идет более щадящий, чем при азотировании в газовой среде аммиака.

Поверхностная твердость обработанных сталей типа 38Х2МЮА достигает величины в 63-65 HRC (твердость по Роквеллу), стали 40Х- до 50-52 HRC .

*Для справки нетермообработанная твердость поверхности конструкционной стали находится в значениях 25-30 HRC , а твердость поверхности напильника примерно 65-70 HRC .

Глубина возникающего поверхностного термоупроченного слоя составляет от 0,2 до 0,6 мм в зависимости от типа стали.

Детали после процесса азотирования. Цвет изменился- нитриды железа обладают специфическим цветом.

КАКИЕ ДЕТАЛИ ПОДВЕРГАЮТ АЗОТИРОВАНИЮ?

. . . Азотированию подвергают прежде всего такие детали различных машин и механизмов, которые подвергаются повышенному износу за счет усиленного трения в условиях значительных температур.

ШНЕКОВЫЕ ПАРЫ:

… Например — шнеки и филеры (пилотезы) шнековых прессов для выдавливания с дальнейшим формованием пластиковых изделий, либо шнеков при производстве евродров из опилок-цепы, либо шнековых прессов для отжима растительного масла, и прочих похожих шнековых прессов.
Например — большая технологическая проблема шнеков для формовки и прессования евродров из цепы и опила — это очень быстрый износ формующей пары «оконечник шнека- фильера». Особенно- если формовке подвергается щепа с лесосеки, загрязненная песком, глиной и почвой, то поверхности формующей пары дешевых шнековых прессов изнашиваются за 4-6 дней, а «фирменных» прессов держатся не более месяца… После этого шнек практически уже не может выдавать продукт нормального качества и нужной геометрии…

После реставрации шнека и азотирования его восстановленной поверхности такая деталь может служить в районе полугода при работе на замусоренной песком и глиной щепе, а на нормальной сырье такой шнек работает не менее 2-х лет…

ПУАНСОНЫ И ШТАМПЫ:

Так же обязательно нужно термоупрочивать поверхность различных штампов и пуансонов. При такой обработки срок их службы так же увеличивается в разы.

ДЕТАЛИ ДВС:

….. Крайне необходимо подвергать азотированию различные элементы и детали двигателей внутреннего сгорания. Так подвергнутый азотированию коленвалы и распредвалы увеличивают свой ресурс в разы, а подвергнутые азотированию гильзы цилиндров и стальные поршни — буквально ходят без видимого износа десятилетиями…

. . . Главное преимущество ионно — плазменного азотирования перед старыми технологиями газового диффузионного азотирования в том, что теперь в предварительно созданный технический вакуум вводится строго дозированные порции технологических газов- азота, водорода и аргона. Такое точное дозирование и порционное введение строго по нужному моменту во времени позволяет тонко регулировать и управлять процессом азотирования. А это в свою очередь позволяет обеспечивать точный и уверенный процесс появления слоя твердых нитридов на поверхности детали из стали, чугуна или титана.
. . . Азотирование титана — это не частые заказы, но титан так же подвергается поверхностному упрочению с помощью технологии азотирования, и титановые детали так же получают твердую и износостойкую поверхность, с повышенными термостойкими свойствами.

Читайте также:  Гидравлическая подвеска своими руками

Вид в камеру в процессе азотирования деталей. На поверхности- коронный разряд.

КРАТКИЙ ЭКСКУРС В ИСТОРИЮ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И СУТЬ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕРМОУПРОЧИВАНИЕ СТАЛИ

….. Со времен создания стали люди всегда пытались увеличить ее твердость и износостойкость. Т.е. улучшить эксплуатационные свойства. Первыми способами «укрепления стали» — была закалка, когда после сильного нагрева, раскаленную до желтого свечения в горне с углем сталь, окунали в воду. От такого резкого перепада температур сталь меняла свой кристаллический порядок, и становилась прочнее. Но вот беда- от такого «жесткого» термического перепада температур в стали накапливались термические напряжения (разные по разным линиям сечения) и эти напряжения потихоньку начинали «выползать на поверхность», от чего форма детали начинала несколько меняться. Появлялись так называемые термические искажения ( поводки) размеров. Чтобы избавиться от них, начали применять отпуск стали, что частично уменьшало твердость стали, но и уменьшало нарушение геометрии готовой детали. Закалка относится чисто к термическим способам упрочнения стали – т.е. к термообработке.

….. Закалка что-то делало со сталью, но технологи и машиностроители хотели добиться большего. Поэтому начали появляться термо-химические способы упрочнения стали. Первым таким способом было цементирование стали. Оно в первом своем варианте заключалось в том, что детали клали в стальные ящики, заполненные углем и эти ящики размещали в печах. Затем раскаляли до температуры 800-900 градусов и выдерживали от суток до двух. Потом медленно остужали. В раскаленном угле и стали на границе их соприкосновения происходила диффузия и поверхностный слой стали насыщался соединениями железа и углерода. А так как эти соединения (цементиты или карбиды железа) обладают высокой прочностью, поэтому поверхностный слой стали тоже становился очень твердым и износостойким. Только вот беда — при температуре обработки в 800-900 градусов снова появлялись термические напряжения и вновь после обработки детали «вело»- и точные детали таким образов трудно было обрабатывать. Либо потом приходилось очень твердые детали пытаться шлифовать «в размер», что оказывалось крайне затруднительно и дорого…

….. Именно поэтому в начале 20-го века в России был создан метод азотирования, которые по прочности поверхности детали превосходит цементирования, но при нем практически не происходит термических искажений. Ведь процесс современного ионно-плазменного азотирования проводится при температуре около 500 градусов, что не доводит стальные обрабатываемые детали до состояния, когда в их кристаллической внутренней структуре начинают появляться выраженные термические напряжения и искажения.

коленвал роторного двигателя

. . . Если кто-то хочет глубже понять теоретические основы азотирования стили и других металлов, то следует почитать серьезные технические книги и научные работы посвященные теме азотирования. Вот краткий список таких материалов:
— Афонский И.Ф., Вер О.И., Смирнов А.В. Теория и практика азотирования. Л.: Госмапзиздат, 1933, — 160 с
— Лахтин Ю.М. Физические основы азотирования. М.: Машгиз, 1948. — 144 с
— Шапиро М.А. Азотирование углеродистых сталей с предварительным азотированием. Вестник машиностроения, 1951, № 2,с.47-50
— Юргенсон А.А. Азотирование в энергомашиностроении. М.: Машгиз, 1962. — 132 с.
— Минкевич А.Н. Химико-термическая обработка стали. М.: Машгиз, 1965. — 331 с
— Яхнина В.Д., Мещеринова Т.Ф. Особенности формирования азотированного слоя в низкоуглеродистых, нержавеющих сталях. -Металловедение и термическая обработка металлов, 1973, № 3, с.9-12
— Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали. — М.: Машиностроение, 1976.-256 с.
— Банных О.А., Зинченко В.М., Прусаков Б.А., Сыропятов В.Я. Развитие азотирования в России. -М. : Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. — 67 с.
— И.М. Пастух Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде, Харьков 2006

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector