Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Улучшение свойств металла может проходить путем изменения его химического состава.

Примером можно назвать азотирование стали – относительно новая технология насыщения поверхностного слоя азотом, которая стала применяться в промышленных масштабах около столетия назад.

Рассматриваемая технология была предложена для улучшения некоторых качеств продукции, изготавливаемой из стали. Рассмотрим подробнее то, как проводится насыщение стали азотом.

Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Азотирование стали

Назначение азотирования

Многие сравнивают процесс цементирования и азотирования по причине того, что оба предназначены для существенного повышения эксплуатационных качеств детали.

Технология внесения азота имеет несколько преимуществ перед цементацией, среди которых отмечают отсутствие необходимости повышения температуры заготовки до значений, при которых проходит пристраивание атомной решетки.

Также отмечается тот факт, что технология внесения азота практически не изменяет линейные размеры заготовок, за счет чего ее можно применять после финишной обработки. На многих производственных линиях азотированию подвергают детали, которые прошли закалку и шлифование, практически готовы к выпуску, но нужно улучшить некоторые качества.

Назначение азотирования связано с изменением основных эксплуатационных качеств в процессе нагрева детали в среде, которая характеризуется высокой концентрацией аммиака. За счет подобного воздействия поверхностный слой насыщается азотом, и деталь приобретает следующие эксплуатационные качества:

  1. Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
  2. Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
  3. Во многих производствах применение азотирования связано с необходимостью придания антикоррозионной стойкости, которая сохраняется при контакте с водой, паром или воздухом с повышенной влажностью.

Вышеприведенная информация определяет то, что результаты азотирования более весомы, чем цементации. Преимущества и недостатки процесса во многом зависят от выбранной технологии.

В большинстве случаев переданные эксплуатационные качества сохраняются даже при нагреве заготовки до температуры 600 градусов Цельсия, в случае цементирования поверхностный слой теряет твердость и прочность после нагрева до 225 градусов Цельсия.

Технология процесса азотирования

Во многом процесс азотирования стали превосходит другие методы, предусматривающие изменение химического состава металла. Технология азотирования деталей из стали обладает следующими особенностями:

  1. В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
  2. Рассматривая режимы азотирования, следует учитывать температуру и время выдержки. Для разных сталей эти показатели будут существенно отличаться. Также выбор зависит от того, каких эксплуатационных качеств нужно достигнуть.
  3. В созданный контейнер из металла проводится подача аммиака из баллона. Высокая температура приводит к тому, что аммиак начинает разлагаться, за счет чего начинают выделяться молекулы азота.
  4. Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
  5. Процедура химико-термического воздействия в данном случае не предусматривает резкое охлаждение. Как правило, печь для азотирования охлаждается вместе с потоком аммиака и деталью, за счет чего поверхность не окисляется. Поэтому рассматриваемая технология подходит для изменения свойств деталей, которые уже прошли финишную обработку.

Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Цех ионно-вакуумного азотирования

Классический процесс получения требуемого изделия с проведением азотирования предусматривает несколько этапов:

  1. Подготовительная термическая обработка, которая заключается в закалке и отпуске. За счет перестроения атомной решетки при заданном режиме структура становится более вязкой, повышается прочность. Охлаждение может проходить в воде или масле, иной среде – все зависит от того, насколько качественным должно быть изделие.
  2. Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
  3. В некоторых случаях есть необходимость в защите определенных частей изделия. Защита проводится путем нанесения жидкого стекла или олова слоем толщиной около 0,015 мм. За счет этого на поверхности образуется защитная пленка.
  4. Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
  5. Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.

Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Режимы азотирования стали

Получаемый слой после азотирования, который представлен нитридом, составляет от 0,3 до 0,6 мм, за счет чего отпадает необходимость в проведении процедуры закаливания.

Как ранее было отмечено, азотирование проводят относительно недавно, но сам процесс преобразования поверхностного слоя металла был уже практически полностью изучен, что позволило существенно повысить эффективность применяемой технологии.

Металлы и сплавы, подвергаемые азотированию

Существуют определенные требования, которые предъявляются к металлам перед проведением рассматриваемой процедуры. Как правило, уделяется внимание концентрации углерода. Виды сталей, подходящих для азотирования, самые различные, главное условие заключается в доле углерода 0,3-0,5%.

Лучших результатов достигают при применении легированных сплавов, так как дополнительные примеси способствуют образованию дополнительных твердых нитритов. Примером химической обработки металла назовем насыщение поверхностного слоя сплавов, которые в составе имеют примеси в виде алюминия, хрома и другие.

Рассматриваемые сплавы принято называть нитраллоями.

Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Микроструктура сталей после азотирования

Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:

  1. Если на деталь будет оказываться существенное механическое воздействие при эксплуатации, то выбирают марку 38Х2МЮА. В ее состав входит алюминий, который становится причиной снижения деформационной стойкости.
  2. В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
  3. При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
  4. Если при изготовлении нужно получить высокую точность линейный размеров, к примеру, при создании деталей топливных агрегатов, то используется марка стали 30ХЗМФ1. Для того чтобы существенно повысить прочность поверхности и ее твердость, предварительно проводят легирование кремнем.

При выборе наиболее подходящей марки стали главное соблюдать условие, связанное с процентным содержанием углерода, а также учитывать концентрацию примесей, которые также оказывают существенное воздействие на эксплуатационные свойства металла.

Выделяют несколько технологий, по которым проводят азотирование стали. В качестве примера приведем следующий список:

  1. Аммиачно-пропановая среда. Газовое азотирование сегодня получило весьма большое распространение. В данном случае смесь представлена сочетанием аммиака и пропана, которые берутся в соотношении 1 к 1. Как показывает практика, газовое азотирование при применении подобной среды требует нагрева до температуры 570 градусов Цельсия и выдержки в течение 3-х часов. Образующийся слой нитридов характеризуется небольшой толщиной, но при этом износостойкость и твердость намного выше, чем при применении классической технологии. Азотирование стальных деталей в данном случае позволяет повысить твердость поверхности металла до 600-1100 HV.
  2. Тлеющий разряд – методика, которая также предусматривает применение азотсодержащей среды. Ее особенность заключается в подключении азотируемых деталей к катоду, в качестве положительного заряда выступает муфель. За счет подключение катода есть возможность ускорить процесс в несколько раз.
  3. Жидкая среда применяется чуть реже, но также характеризуется высокой эффективностью. Примером можно назвать технологию, которая предусматривает использование расплавленного цианистого слоя. Нагрев проводится до температуры 600 градусов, период выдержки от 30 минут до 3-х часов.

Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Ионное азотирование

В промышленности наибольшее распространение получила газовая среда за счет возможность обработки сразу большой партии.

Данная разновидность химической обработки предусматривает создание особой атмосферы в печке. Диссоциированный аммиак проходит предварительную обработку на специальном каталитическом элементе, что существенно повышает количество ионизированных радикалов. Особенности технологии заключаются в нижеприведенных моментах:

  1. Предварительная подготовка аммиака позволяет увеличить долю твердорастворной диффузии, что снижает долю реакционных химических процессов при переходе активного вещества от окружающей среды в железо.
  2. Предусматривает применение специального оборудования, которое обеспечивает наиболее благоприятные условия химической обработки.

Азотирование стали: ионное, плазменное, технология, температура и режимы

Процесс азотирования стали

Применяется данный метод на протяжении нескольких десятилетий, позволяет изменять свойства не только металлов, но и титановых сплавов. Высокие затраты на установку оборудования и подготовку среды определяют применимость технологии к получению ответственных деталей, которые должны обладать точными размерами и повышенной износостойкостью.

Свойства азотированных металлических поверхностей

Довольно важным является вопрос о том, какая достигается твердость азотированного слоя. При рассмотрении твердости учитывается тип обрабатываемой стали:

  1. Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
  2. Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
  3. Нитраллои, которые имеют в составе алюминий, хром и другие металлы, могут получить твердость до 1200HV.

Другие свойства стали также изменяются. К примеру, повышается коррозионная стойкость стали, за счет чего ее можно использовать в агрессивной среде. Сам процесс внесения азота не приводит к появлению дефектов, так как нагрев проводится до температуры, которая не изменяет атомную решетку.

Источник: https://stankiexpert.ru/spravochnik/materialovedenie/azotirovanie-stali.html

Ионно-плазменное азотирование

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) – современный упрочняющий метод химико-термической обработки изделий из чугуна, углеродистых, легированных и инструментальных сталей, титановых сплавов, металлокерамики, порошковых материалов. Высокая эффективность технологии достигается путём использования разных газовых сред, влияющих на образование диффузионного слоя различного состава в зависимости от конкретных требований к его глубине и твёрдости поверхности.

  • Азотирование ионно-плазменным методом актуально для обработки нагруженных деталей, работающих в агрессивных средах, подвергающихся трению и химической коррозии, поэтому широко применяется в машиностроительной отрасли, включая станкостроение, авто- и авиационную промышленность, а также в нефтегазовом, топливно-энергетическом и горнодобывающем секторе, инструментальном и высокоточном производстве.
  • В процессе поверхностной обработки ионным азотированием улучшаются поверхностные характеристики металлов и эксплуатационная надёжность ответственных деталей машин, двигателей, станков, гидравлики, точной механики и прочих изделий: повышается усталостная и контактная прочность, поверхностная твёрдость и сопротивляемость к трещинообразованию, увеличивается износо-задиростойкость, тепло- и коррозионная стойкость.
  • Преимущества ионно-плазменного азотирования

Технология ИПА имеет ряд неоспоримых достоинств, основное из которых – стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств. Управляемый процесс диффузионного насыщения газа и нагрева обеспечивает равномерное покрытие высокого качества, заданного фазового состава и структуры.

  • Высокая поверхностная твёрдость азотированных деталей.
  • Отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности.
  • Сокращение времени обработки сталей в 3-5 раз, титановых сплавов – в 5-10.
  • Повышение эксплуатации азотированной поверхности в 2-5 раз.
  • Возможность обработки глухих и сквозных отверстий.
Читайте также:  Дефекты сварных швов: виды, методы обнаружения и контроля, причины

Низкотемпературный режим исключает структурные превращения стали, снижает вероятность усталостных разрушений и повреждений, позволяет проводить охлаждение с любой скоростью без риска возникновения мартенсита.

Обработка при температурах ниже 500 °С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей: их эксплуатационные свойства повышаются без изменения твёрдости сердцевины (55-60 HRC).

Экологически безопасный метод ионно-плазменного азотирования предотвращает искривление и деформацию деталей при сохранении исходной шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм – вот почему технология ИПА эффективна в качестве финишной обработки.

Технология процесса

Установки для ИПА работают в разряженной атмосфере при давлении 0,5-10 мбар. В камеру, действующую по принципу катодно-анодной системы, подаётся ионизированная газовая смесь.

Между обрабатываемой заготовкой и стенками вакуумной камеры образуется тлеющий импульсный разряд.

Созданная под его воздействием активная среда, состоящая из заряженных ионов, атомов и молекул, формирует на поверхности изделия азотированный слой.

Состав насыщающей среды, температура и продолжительность процесса влияют на глубину проникновения нитридов, вызывающих значительное увеличение твёрдости поверхностного слоя изделий.

Ионное азотирование деталей

Ионное азотирование широко применяется в целях упрочнения деталей машин, рабочих инструментов и технологической оснастки неограниченных типоразмеров и форм: зубчатых венцов, коленчатых и распределительных валов, конических и цилиндрических шестерён, экструдеров, муфт сложной геометрической конфигурации, шнеков, режущего и бурового инструмента, оправок, матриц и пуансонов для штамповки, пресс-форм.

Для ряда изделий (шестерён большого диаметра для большегрузных автомобилей, экскаваторов и т. д.) ИПА – единственный способ получения готовой продукции с минимальным процентом брака.

  1. Свойства изделий после упрочнения методом ИПА
  2. Упрочнение зубчатых колёс методом ионного азотирования повышает предел выносливости зубьев при испытаниях на усталость при изгибе до 930 МПа, значительно снижает шумовые характеристики станков и повышает их конкурентоспособность на рынке.
  3. Технология ионно-плазменного азотирования широко применяется для упрочнения поверхностного слоя пресс-форм, используемых при литье под давлением: азотированный слой препятствует прилипанию металла в зоне подачи жидкой струи, и процесс заполнения формы становится менее турбулентным, что увеличивает срок службы пресс-форм, и обеспечивает высокое качество отливки.

Ионно-плазменное азотирование в 4 и более раз повышает износостойкость штампового и режущего инструмента, изготовленного из сталей марок Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и других, с одновременным увеличением режимов резания.

Азотированная поверхность инструмента за счёт пониженного коэффициента трения обеспечивает более лёгкий отвод стружки, а также предотвращает её налипание на режущие кромки, что позволяет увеличить подачу и скорость резания.

Компания «Ионмет» оказывает услуги по поверхностному упрочнению конструкционных материалов различных типов деталей и инструмента методом ионно-плазменного азотирования – корректно подобранный режим позволит достигнуть необходимых технических показателей твёрдости и глубины азотированного слоя, обеспечит высокие потребительские свойства продукции.

  • Упрочнение поверхностного слоя мелкомодульных и крупномодульных зубчатых колёс, коленчатых и распределительных валов, направляющих, втулок, гильз, шнеков, цилиндров, пресс-форм, осей и т. д.
  • Повышение стойкости к циклической и пульсирующей нагрузке коленчатых и кулачковых валов, толкателей, клапанов, зубчатых колёс и т. д.
  • Повышение износостойкости и коррозионной стойкости, уменьшение прилипания металла при литье пресс-форм, прессовых и молотовых штампов, пуансонов для глубокой вытяжки, матриц.

Процесс азотирования происходит в современных автоматизированных установках:

  • Ø стола 500 мм, высотой 480 мм;
  • Ø стола 1000 мм, высотой 1400 мм.

Уточнить полную номенклатуру изделий для упрочняющей обработки, а также возможность азотирования крупногабаритных деталей со сложной геометрией можно у специалистов компании «Ионмет». Для определения технических условий азотирования и начала сотрудничества отправьте нам чертёж, укажите марки стали и примерную технологию изготовления деталей.

Источник: http://ionmet.ru/source/heat-treatment/ipa.html

Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.

Цех ионно-вакуумного азотирования

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются.

Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров.

После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Схема установки азотирования в тлеющем разряде

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

  • За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
  • Возрастает усталостная прочность изделия.
  • Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации.

Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Как протекает процесс азотирования

Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.

Вакуумная печь для термической обработки с системой газового азотирования

Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:

2NH3 → 6H + 2N.

Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.

Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.

Классификация процессов азотирования

Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:

  • твердый раствор Fe3N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
  • твердый раствор Fe4N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
  • раствор азота, формирующийся в α-железе.

Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.

Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

  • температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
  • давление газа, подаваемого в муфель;
  • продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%.

При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется.

Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость.

Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза.

Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и легированные стали, характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%.

Читайте также:  Проверка сверлильных станков на точность

Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками.

Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Твердость сталей после азотирования

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей. 38Х2МЮА

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности.

Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности.

Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

40Х, 40ХФА

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

30Х3МФ1

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Характеристики некоторых сталей после азотирования

Технологическая схема азотирования

Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.

Подготовительная термообработка

Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске.

Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде.

Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.

Режимы термообработки перед азотированием

Механическая обработка

Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.

Защита участков изделия, которые не требуют азотирования

Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.

Выполнение самого азотирования

Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.

Рекомендуемые режимы азотирования стали

Финишная обработка

Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.

Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры.

Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование.

При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.

В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь.

Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).

Пуансон массой более 230 кг, подвергнутый азотированной обработке

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях.

Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов.

Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N2 или NH3, за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.

Источник: http://met-all.org/obrabotka/himicheskaya/azotirovanie-stali-metalla-ionnoe.html

Ионное азотирование

Специальная
часть

Введение.

Рисунок
6.1 —
Схема
расположения поверхностных слоя.

Повышение твердости
поверхности осуществляется различными
методами поверхностного упрочнения
и в результате образуются поверхностные
слои, толщины с одной стороны
зуба и с другой
(рис.6.1) в сумме
могут быть равны или больше
толщины зуба .

Способы
упрочнения зубьев шестерен химико-термической
обработки.

Наиболее
распространенными способами упрочнения
являются поверхностные химико-термическая
обработка:

  • цементация — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950oС. Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %). Глубина цементации (h) –расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h = 1…2 мм). Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %). В результате, приобретая твердую (60…64 HRC) поверхность, детали сохраняют вязкую (при твердости 38…43 HRC) сердцевину, устойчивую к ударным нагрузкам. Недостаток цементации-большие деформация и коробление деталей. Для их устранения требуется шлифование, при котором удаляется наиболее твердая и несущая часть слоя и увеличивается трудоемкость изготовления деталей.;
  • газовая цементация — процесс осуществляется в печах с герметической камерой, наполненной газовым карбюризатором. Атмосфера углеродосодержащих газов включает азот, водород, водяные пары, которые образуют газ-носитель, а также окись углерода, метан и другие углеводороды, которые являются активными газами. Глубина цементации определяется температурой нагрева и временем выдержки. Преимущества способа:
  1. возможность получения заданной концентрации углерода в слое (можно регулировать содержание углерода, изменяя соотношение составляющих атмосферу газов);

  2. сокращение длительности процесса за счет упрощения последующей термической обработки;

  3. возможность полной механизации и автоматизации процесса;

  • ионно-плазменное азотирование (ИПА) — это разновидность химико-термической обработки деталей машин, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали азотом (азотом и углеродом) в азотно-водородной плазме при температуре 400…600 °С.


(ВНЦ)- Вакуумная нитро-цементация- реализуется саморегулирование процесса
насыщения.

Технология ионного
азотирования зубчатых колес основана
на применении высокопрочных
комплексно-легированных сталей мартенситного класса 16Х3НВФМБ-Ш(ВКС-5),
16Х2Н3МФБАЮ-Ш(ВКС-7), 10Х3Н3М2ВФБ-Ш(ВКС-10),
разработанных ВИАМом в качестве
цементируемых. Из этой группы сталей
основное применение получила сталь
ВКС-5. Для менее нагруженных азотируемых
зубчатых колес опробована также сталь
марки 30Х2НВА.

Применение
теплостойких сталей продиктовано тем,
что из-за ограниченной толщины
азотированного слоя возрастают требования
к прочности и твердости сердцевины,
которые непосредственно определяются
свойствами стали.

Требуемый уровень
этих свойств составляет:Q
0,2меньше или равно 1000 МПа, 30-35 HRC.

При недостаточном сопротивлении
сердцевины пластической деформации
возможно продавливание слоя , развитие
на рабочей поверхности зуба глубинных
контактных разрушений.

Прочность
и твердость сердцевины зависят от
предварительной термической обработки
, которая формирует исходный уровень
этих свойств и режима азотирования .
После термического улучшения
горячештампованной заготовки- закалки
и высокого отпуска при температуре
580-620 градусов- твердость стали составляет
35-40 HRC.

При азотировании важно сохранить этот
уровень твердости . Однако для того ,
чтобы обеспечить возможно большую
толщину слоя и, как следует , более
высокую его несущую способность ,
требуется проводить диффузионное
насыщение при повышенной температуре
и большем времени выдержки , т.е.

тех
факторах , при которых возможно
разупрочнение стали.

Ионно-плазменное азоторование

В
настоящее время большое распространение
получило применение технологии ИПА,
так как позволяет сэкономить основное
оборудование и производственные площади,
снизить станочные и транспортные
затраты, уменьшить расход электроэнергии
и активных газовых сред. Метод ИПА имеет
следующие основные преимущества:

  • более высокая поверхностная твердость;
  • отсутствие деформации после обработки и высокая чистота поверхности;
  • повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанной детали;
  • более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурные превращения;
  • сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650С;
  • возможность получения слоев заданного состава;
  • возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
  • отсутствие загрязнения окружающей среды;
  • повышение культуры производства;
Читайте также:  Как првильно пользоваться лазерным уровнем для выравнивания стен, пола, потолка

снижение
себестоимости обработки в несколько
раз.

Преимущества
ИПА проявляются и в существенном
сокращении основных издержек производства.

На рисунке 6.2 изображена схема установки
для ионно-плазменного азотирования.

Рисунок
6.2 — Схема установки для ионно-плазменного
азотирования (1 – деталь, 2
–вакуумный контейнер, 3 – блок
электропитания, 4 – прибор регулирования
температуры, 5 –газовая гребенка, 6-
вакуум – насос)

В
разреженном пространстве между катодом
(деталью) и анодом (вакуумный контейнер)
возбуждается тлеющий разряд в среде
газа, содержащего атомы и ионы азота. В
качестве насыщающей атмосферы используют
аммиак из баллонов, смесь азота с
водородом или тщательно очищенный от
кислорода азот.

При возбуждении тлеющего
разряда к поверхности детали устремляется
поток положительно заряженных ионов
азота. При ударах ионов о катод выделяется
тепло, за счет которого происходит
разогрев поверхности детали. Низкое
давление обеспечивает равномерное и
полноценное покрытие детали свечением.
Рабочее давление в камере печи составляет
1…10 мм рт.ст. Температура плазмы колеблется
от 400 до 950°С.

Формирующаяся на поверхности пленка
состоит из двух слоев: нижнего диффузионного
и верхнего нитридного.

Обеспечение
стабильной температуры упирается в
процессы теплообмена, происходящие
непосредственно внутри камеры для ИПА.
Для снижения интенсивности обменных
процессов со стенками камеры используются
специальные, непроводящие тепло экраны.
Они позволяют значительно сэкономить
на потребляемой мощности.

Температура
процесса вкупе с длительностью влияют
на глубину проникновения нитридов, что
вызывает изменения в графике глубинного
распределения показателей твердости.

В данном случае температура ниже 500
градусов наиболее оптимальная для
азотирования легированных сталей
поскольку эксплуатационные характеристики
повышаются без изменения твердости
сердцевины и термического разрушения
внутренней структуры.

 
В
результате в диффузионном слое прилегающая
развитая нитридная зона снижает
вероятность образования межкристаллитной
коррозии, обеспечивая достаточный для
активного трения квалитет шероховатости.
С таким соотношением слоев зубчатое
колесо с успехом будет использоваться
в механизмах, работающих на износ.

Варьируя
состав насыщения газа, давление,
температуру и время выдержки, можно
получать слои заданной структуры и
фазового состава, обеспечивая строго
регламентируемые свойства сталей и ее
сплавов.

Применения
ИПА в предлагаемом технологическом
процессе заключается в следующем.

Для
повышения механических свойств материала
деталь подвергают ИПА перед чистовой
обработки, обеспечивая защиту поверхностей
за счет припуска, значение которого
больше максимальной толщины азотированного
слоя.

В результате термической обработки
поверхностная твердость зубьев должна
быть в пределах 64…72 HRC
при глубине азотированного слоя 1,1…1,3
мм.

После
ионно-плазменного азотирования (ИПА)
упрочнения зубчатых колес предел
выносливости зубьев при испытаниях на
усталость при изгибе достигает 930 МПа.
Контактная усталостная прочность после
ИПА выше, а износостойкость диффузионного
ионно-плазменного азотированного слоя
в 2…4 раза выше износостойкости
цементованного слоя.

Установка
ионно-плазменного азотирования состоит
из рабочей камеры, шкафа управления,
системы откачки, системы водяного
охлаждения, соединительный кабелей и
магистралей (рис. 6.3).

Рисунок
6.3 — Установка ионно-плазменного
азотирования ЭВТ 40

Рабочая
камера состоит из неподвижного основания.
В основании камеры размещены откачной
патрубок, подвод электропитания,
термопарный ввод, газоввод и штуцера
системы охлаждения. Катод установлен
на опорах, имеющих диэлектрические
вставки.

Управление
работой установки и контроль за ходом
процесса обработки осуществляется
автоматически по заданной программе
посредством специализированного
контроллера и персонального компьютера,
встроенный в шкаф управления.

Все
этапы установки (вакуумирование камеры,
разогрев садки, выдержка и остуживание)
автоматизированы. Переход от одного
шага процесса к другому осуществляется
либо по истечении заданного интервала
времени (на выдержке), либо по достижении
определенного заданного значения
некоторого параметра-температуры либо
давления (на разогреве садки).

В
ходе технологического процесса на
установке осуществляется контроль следующих параметров, которые отображаются
на дисплее в виде графического протокола
процесса:

  • рабочее давление;
  • температура;
  • расходов трех рабочих газов;
  • напряжение и ток разряда.

По
завершении процесс определяется
суммарный расход каждого из компонентов
газовой смеси и расход электроэнергии,
затраченной на формирование разряда в
процессе обработки.

Вакуумная
нитро-цементация
.

Режим
ВНЦ со ступенчатым уменьшением температуры
привел к формированию неоптимальной
структуры диффузионного слоя с
пересыщенной карбонитридной зоной и,
как следствие, с умеренным количеством
остаточного аустенита.

При ступенчатом
увеличении температуры создаются
условия для частичного растворения
карбонитридной фазы, сформированной
на предыдущей низкотемпературной
стадии, и округления частиц избыточной
фазы. В результате насыщенность
карбонитридной зоны уменьшилась, что
способствовало увеличению количества
остаточного аустенита.

Наилучшие
результаты получены при постоянной
подаче аммиака и постоянной температуре
процесса, способствовавших стабилизации
остаточного аустенита и увеличению его
количества.

Сопоставление
результатов ВНЦ по оптимальному режиму
с результатами вакуумной цементации
показало, что диффузионные слои,
сформированные в ходе вакуумной
нитроцементации, могут успешно
конкурировать с цементованными слоями.

При проведении процессов в течение 6
часов при ВНЦ, как и при вакуумной
цементации, получены слои эффективной
толщиной 0,9…1,2 мм при протяженности
активной карбонитридной (карбидной)
зоны, равной 0,3…0,4 мм.

Общая насыщенность
слоя углеродом и азотом на поверхности
составила 1,2…1,4 %, из которых на азот
пришлось 0,15…0,20 % (при цементации
концентрация углерода на поверхности
составила 1,2…1,4 %).

Благодаря
уменьшению концентрации углерода
изменяется структура избыточной фазы:
предотвращается образование грубой
карбидной сетки, вместо которой
формируются более округлые и мелкие
карбонитриды, отвечающие требованиям
по сопротивлению контактной усталости.
Следует отметить, что мелкодисперсные
карбонитриды, выделяющиеся в результате
трехкратного старения, не обнаруживаются
при помощи оптического микроскопа.

Представляется,
что благоприятное изменение структуры
избыточной фазы в присутствии азота
связано с большей термодинамической
стабильностью карбонитридов сильных
карбидообразующих элементов по сравнению
с соответствующими карбидами и,
следовательно, с большей скоростью их
зарождения, обеспечивающей повышение
их дисперсности. Одновременно повышение
термодинамической стабильности
избыточной фазы обуславливает
преимущественное зарождение ее частиц
на дислокациях и вакансионных ансамблях
внутри зерен вместо образования сетки
по их границам.

Установлено,
что однократного высокого отпуска явно
недостаточно для полного распада
остаточного аустенита, что обусловлено
насыщением слоя азотом. После закалки
избыточная карбонитридная фаза в
диффузионном слое полностью отсутствует.

Существенно, что процесс нитроцементации
благодаря присутствию в слое азота
обеспечивает аналогичный эффект полного
растворения избыточной фазы, что и при
нагреве под закалку после вакуумной
цементации, при существенно меньшей
температуре.

В связи с изложенным,
необходимость проводить высокотемпературный
нагрев под закалку отпала.

Показано,
что по результатам каждого из этапов
упрочняющей обработки возрастает
твердость поверхности образцов (рис. 5).
Рост твердости определяется последовательным
выделением мелкодисперсных карбонитридов
и уменьшением количества остаточного
аустенита в слое из-за мартенситного
превращения.

Следует отметить, что
результирующая твердость, равная 61 HRC,
не в полной мере соответствует поставленной
задаче и в ходе дальнейших исследований
предполагается обеспечить ее повышение
за счет увеличения насыщенности слоя
азотом в ходе ВНЦ. По мнению авторов,
пониженная по сравнению с цементацией
итоговая твердость обусловлена влиянием
повышенного количества остаточного
аустенита.

Определение путей устранения
данного недостатка явится предметом
дальнейших исследований.

Рис.6.
4. Изменение твердости HRCповерхности
после различных этапов упрочняющей
обработки

Технология
ВНЦ по сравнению с вакуумной цементацией
характеризуется большей гибкостью
управления. Добавление второго насыщающего
компонента – азота увеличивает количество
управляющих факторов технологического
процесса. Кроме временных факторов
(τобщ,
τа,
τп,
число циклов) управляющими становятся
температура и расходы компонентов
(рис. 6).

Принципы
оптимизации режимов процесса ВНЦ
основаны на положениях его физической
модели.

Молекула
аммиака, также как и молекула ацетилена,
обладает свойством каталитической
диссоциации на нагретой поверхности
железа. На металлической поверхности,
где есть свободные валентные связи,
происходят беспрепятственная адсорбция
и диссоциация молекул, а также диффузия
продуктов распада.

При этом поверхностный
слой практически мгновенно покрывается
монослоем углерода, что приводит к очень
быстрому формированию избыточных фаз
на границе раздела сред. На участках,
покрытых избыточными фазами, диссоциация
ацетилена и аммиака отсутствует.

Таким
образом, при ВНЦ реализуется
саморегулирование процесса насыщения.

Необходимо
обратить внимание, что углерод
конденсируется на насыщаемой поверхности
в чистом виде, а выделившийся при
разложении аммиака азот может не только
в атомарной форме растворяться в твердом
растворе, но и образовывать молекулярную
газообразную составляющую, десорбируемую
с насыщаемой поверхности. Это обстоятельство
определяет большую эффективность
насыщения металла углеродом, нежели
азотом, при прочих равных условиях. В
этой связи, учитывая высокую скорость
адсорбции и диссоциации молекул
ацетилена, углеродсодержащий газ в
камеру требуется подавать циклически.

Рис.
6.5.Технологические факторы ВНЦ

Важным
технологическим фактором процесса
является температура насыщения, которая
определяет соотношение насыщенности
слоя углеродом и азотом.

Для большей
насыщенности азотом необходимо уменьшать
температуру процесса.

Однако уменьшение
температуры насыщения приводит к
замедлению диффузионных процессов и,
как следствие,  к увеличению общей
продолжительность процесса для достижения
заданной толщины упрочненного слоя.

1.

 Установлено
влияние присутствия азота в диффузионном
слое мартенситно-стареющей стали ВКС-10,
подвергнутой вакуумной нитроцементации,
на увеличение количества остаточного
аустенита и получение карбонитридной
фазы благоприятной мелкодисперсной
структуры. Проведение совместного
насыщения комплексно-легированной
стали углеродом и азотом дало возможность
снизить температуру нагрева под закалку
и, следовательно, уменьшить коробление
деталей, подвергнутых полному циклу
упрочняющей обработки.

2. Проведен анализ различных схем технологических
режимов вакуумной нитроцементации, что
дало возможность установить оптимальную
схему проведения процесса, обеспечивающую
необходимую насыщенность углеродом и
азотом.

3. На
основе применения разработанной
математической модели процесса
осуществили оптимальный выбор
технологических факторов вакуумной
нитроцементации, обеспечивающий заданную
протяженность и насыщенность упрочненного
слоя.

Источник: https://studfile.net/preview/2202855/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector