Как и с какой целью проводится азотирование стали

Технология, оборудование, методы контроля и регулирования атмосферы

Азотирование является одним из распространенных видов химико-термической обработки сталей и сплавов, цель которой состоит
в придании поверхностным слоям повышенных прочностных характеристик. Азотированный слой может обладать очень высокой
твердостью, износостойкостью, в несколько раз превышающей износостойкость закаленных высокоуглеродистых и цементированных
сталей. Азотирование поверхности позволяет, кроме повышения прочности увеличить жаропрочность тугоплавких металлов
и сплавов, т.е., иными словами, увеличить прочность металла при более высокой температуре
. Азотированием называют адсорбцию
атомов азота поверхностью изделий и их дальнейшее диффузионное продвижение в глубину металла с целью образования нитридов
с легирующими элементами.

Существует три основных типа азотирования:

  • твердое: с адсорбцией из порошковых состовляющих или обмазок
  • жидкостное: с адсорбцией из растворов солей
  • газовое: адсорбция происходит из газовой фазы.

В газовом азотировании в свою очередь существует несколько методов газового азотирования.

  • Высокотемпературное газовое азотирование: в машиностроении практически не применяется.
  • Ионное газовое азотирование имеет специфические особенности.
  • Газовое низкотемпературное азотирование является наиболее распространенным методом газового азотирования.

Примечание. В настоящей статье рассмотрены вопросы только низкотемпературного газового азотирования.

Газовое низкотемпературное азотирование применяют с целью повышения поверхностной твердости, износостойкости, теплостойкости,
усталостной прочности и коррозионной стойкости изделий машиностроения. Самыми распространенными деталями для упрочнения
методом газового азотирования являются: коленчатые валы, шестерни, плунжера, матрицы экструзии алюминия, штампы и т.п.
Общая, характерная особенность заготовок, подвергающихся азотированию, это затрудненная или невозможная их механическая
обработка после упрочнения из за высокой твердости и сложной геометрической формы. Азотирование проводят после проведения
механической обработки, при этом нагрев под азотирование, практически не меняет геометрию детали
. С повышением концентрации
легирующих элементов твердость азотированной поверхности повышается. Максимальная твердость, после азотирования, получается
у коррозионностойких сталей и доходит до 1300HV
. Большая глубина диффузионного слоя получается увеличенными выдержками
времени в азотирующей атмосфере.

Твердость заготовок с азотированным слоем является суммарной твердостью объемного материала заготовок из за высокой
твердости карбидов и поверхностного упрочнения из за образования нитридов. Для повышения износостойкости и задиростойкости
выбирают высокоуглеродистые марки сталей, а детали на этапе заготовок подвергают улучшению
. Производят закалку заготовок
с высоким отпуском, выше на 20-30°С чем температура азотирования, после чего производят механическую обработку. Азотирование
является финальной стадией изготовления деталей.

Примечание. Для некоторых деталей и марок сталей существует возможность совмещения режима отпуска с процессом
азотирования.

Эффект от азотирования в значительной мере зависит от предварительной термической обработки и подготовительных операций.
Для предотвращения пятнистой твердости перед азотированием производят обезжиривание рабочих поверхностей изделий растворителями,
а коррозионно-стойкие стали подвергают травлению в водных растворах кислот для удаления окисной пленки. В случае необходимости
местной (локальной) защиты от азотирования (необходимость в дальнейшей механической обработке или имеются резьбы и
т.п.) можно применить защитные металлические покрытия типа лужения, или различные смываемые водой защитные обмазки
типа «CERA1400» и т.п.

Технически целесообразными для достижения считается слои с толщиной диффузионного слоя до 0,6мм для среднелегированных
сталей, например 38Х2МЮА, 35Х1М2ФА и до 1 мм для низколегированных сталей, например сталь 40Х. Для коррозионностойких
сталей, типа 12Х18Н10 слои, как правило, не должны превышать 0,2мм.

Температуру азотирования выбирают в зависимости от химического состава азотируемой стали, требуемой твердости поверхности,
конструктивной жесткости и установленного допуска на величину деформации при азотировании. Линейные деформации изделий,
от азотирования, в среднем составляют 20% от величины азотированного слоя
. Если величина азотированного слоя около
0,5мм, то увеличение линейного размера заготовки составит примерно 0,1мм на сторону. Чем выше температура азотирования,
при прочих равных условиях, тем больше толщина слоя, но ниже твердость на поверхности и больше деформация
. Практическим
путем были получены оптимальные режимы для большинства деталей из различных материалов.

Таблица 1 Ориентировочные режимы низкотемпературного газового азотирования полученные опытным путем для технологии с
применением катализатора.

Расходы газов в таблице указаны в условных делениях ротаметров. Марки ротаметров, при проектировании печей, выбираются
пропорционально объему рабочего пространства.

Из опыта запуска печей азотирования, даже с применением катализатора или технологии разбавления аммиака, для сокращения
длительности азотирования рекомендуем применять двухступенчатый режим. В этом случае твердость поверхности несколько
ниже, чем при постоянной (сниженной) температуре, но время на азотирование сокращается существенно.

В качестве основы для насыщающей среды для газового азотирования рекомендуется использовать аммиак, марки «А», по ГОСТ
6221-90. Требования к азоту не регламентируются.

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 начинает образовываться
только тогда, когда α-структура достигает лимита насыщения.

В сплаве азота и железа наблюдается три основные фазы:

  • α-фаза фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой. Максимальная растворимость азота о ОЦК решетке
    составляет 0,11%.
  • γ-фаза (азотистый аустенит), имеет ГЦК решетку с неупорядоченным расположением атомов азота в октаэдрических
    порах. Максимальная растворимость азота о ГЦК решетке 2,8% фаза представляет собой азотистый феррит с ОЦК решеткой.
    Максимальная растворимость азота о ОЦК решетке составляет 0,11%.
  • ε-фаза (Fe2-3N) имеет ромбическую решетку и существует в широком интервале концентраций 4,55-11%.
  • ξ-фаза (Fe2N) имеет ромбическую решетку с упорядоченно распределенными атомами азота. Диапазон гомогенности
    от 11.07-11,18%N.

Твердость основных фаз

в системе Fe-N

Структура азотированного слоя.

Шлиф после травления

График распределения твердости по азотированному слою

Промежуточные значения концентраций азота в железе принято называть α’, α», γ’ фазами. С изменением температуры фазы
перестраиваются.

При концентрации азота в ε-фазе на уровне 10-11% слой начинает охрупчиваться и снижаются его твердость. Поэтому при
азотировании не рекомендуется превышать азотный потенциал выше 10%.

В зависимости от выбранной технологии, электропечи азотирования комплектуются различными системами обеспечивающими реализацию
той или иной технологии. Цель этих технологий в возможности поддержания концентрации аммиака в печи на определенном
уровне, вне зависимости от температуры прохождения процесса. Чем меньше остаточное количество аммиака в печи, тем ниже
азотный потенциал
. Если на аммиак в печи не воздействовать, то вскоре его насыщающая способность вырастит до 30% по
азотному потенциалу, при этом сразу на поверхности деталей образуется высокоазотистая ε-фаза что значительно замедлит
продвижение атомов азота в глубину металла
. Номинально насыщающая способность в печи должна поддерживается на уровне
6-10% азота по насыщающей способности и называется азотный потенциал
. Понятие «азотный потенциал» отражает процессы,
проходящие на границе раздела (газ-металл). Такой полной характеристикой является концентрация азота в тонком поверхностном
слое металла при достижении равновесия с газовой фазой.

Следует отметить, что до тех пор, пока не образовался сплошной слой высокоазотистой фазы диффузия азота происходит значительно
быстрее, чем после образования такого слоя: скорость диффузии азота в γ’-фазе в 25 раз меньше, а в ε-фазе в 60 раз
меньше.

Варьирование состава среды в широких пределах позволяет изменять строение и толщину диффузионного слоя, его физико-механические
свойства. При оптимальных режимах нитридная зона на поверхности минимальна, а диффузионный слой состоит их азотистого
α-твердого раствора.

Уменьшение парциального давления аммиака ведет к снижению азотного потенциала и соответственно концентрации азота в
слое до оптимального значения, при этом увеличивается скорость его диффузии в глубину металла. Так при увеличении степени
диссоциации аммиака до 60% для конструкционных сталей уменьшается хрупкость диффузионного слоя за счет меньшего развития
высокоазотистой γ’, ε фазы, пересышенной по азоту нитридной фазы.

Для реализации оптимальных условия для азотирования предлагаются две основные технологии.

Технология азотирования с применением катализатора.

Для данной технологии предусматривается использовать специальный катализатор, платиновой группы. В данном случае катализатор
устанавливается в магистраль подачи аммиака, который селективно воздействует на процессы диссоциации до подачи газа
в печное пространство
. На катализаторе с аммиаком происходит реакция его диссоциации до приемлемого для проведения
азотирования уровня
. Степень диссоциации аммиака в данном случае напрямую зависит от температуры прохождения реакции
и активности катализатора. Температура на катализаторе может быть равна температуре в печи, а может быть выше, в случае
комплектования дополнительным подогревателем реактора с катализатором
. По данной технологии катализатор рекомендуется
заменять раз в год.

Технология азотирования методом разбавления аммиака.

Основными контролируемыми и регулируемыми параметрами газового азотирования являются: температура, продолжительность
и стадийность процесса, давление газов в муфеле, степень диссоциации аммиака, состав насыщающей среды, анализ фольговой
пробы.

Косвенно азотный потенциал можно определить по степени диссоциации аммиака специальным прибором: диссоциометром. Принцип
действия прибора основан на способности аммиака растворяться в воде
. Подача газов и воды на прибор может быть автоматизирована.

Газовое азотирование проводят в печах различной конструкции, как правило, периодического действия. Наиболее популярными
печами для газового азотирования являются шахтные муфельные электропечи, типа США, в которых рабочая максимальная температура
не превышает 700 ˚С, а печная атмосфера постоянно обновляется и циркулирует принудительно центробежным вентилятором.
Электропечи азотирования могут иметь стационарный либо сменный муфель
. В случае если муфель не сменный, то применяется
система принудительного охлаждения камеры нагрева подачей холодного воздуха. Печи оснащаются системами подачи технологических
газов, аммиаком и азотом
. Азот необходим для продувки муфеля и вытеснения аммиака перед съемом крышки. В зависимости
от выбранной технологии газовые системы печей могут оснащаться дополнительными магистралями для газов разбавителей
печной атмосферы
. Как правило, это углекислый газ, эндогаз, диссоциированный аммиак, или даже воздух в довзрывных объемах.
Наилучшим разбавителем считается эндогаз
. Вне зависимости от типоразмера и модификации все печи комплектуются необходимыми
системами для безаварийной эксплуатации.

Детали механизмов имеют определенный ресурс работы, который определяется: или стойкостью к износу, или сопротивлением
усталостному разрушению, или контактной выносливостью. Повышение срока службы оборудования является важнейшим конкурентным
преимуществом любого производителя, поэтому предприятия применяют самые современные технологии для упрочнения поверхности.
Регулируемые технологии азотирования позволяет значительно улучшить прочностные характеристики деталей.

Для проведения процесса азотирования необходимы специальные электропечи, позволяющие выполнить требуемую химико-термическую
обработку. Эти печи комплектуются оборудованием для ведения нагрева, создания и перемешивания печной атмосферы, а также
приборами контроля состояния газовой среды
. Оснащение электропечей таким оборудованием позволяет сделать процесс азотирования
управляемым и дает возможность получать требуемые физико-механические свойства азотированного слоя.

При производстве разных видов стали применяются дополнительные способы обработки, позволяющие улучшить характеристики материала. Одним из современных способов является азотирование стали. Он подразумевает насыщение материала частицами азота.

Азотирование стали

Суть технологии

Процесс азотирования часто сравнивают с цементированием металлов. Однако у первого вида обработки большее количество преимуществ. При воздействии азотосодержащими газами на различные марки стали их поверхность не подвергают термической обработке. При этом показатель твердости увеличивается.

Поскольку при обработке поверхностного слоя металла габариты детали не изменяются, насыщение азотом применяют к заготовкам, прошедшим шлифовку и отпуск. После улучшения характеристик изделие может подвергаться финишной обработке.

При насыщении азотом сталь нагревается в среде с повышенной концентрацией аммиака. При этом процессе поверхностные слои металла насыщаются частицами азота. Благодаря этому изменяются следующие характеристики:

  • повышается показатель твердости;
  • улучшается износоустойчивость;
  • повышается антикоррозийная устойчивость.

Цементации считается менее надёжным способом улучшения качеств стали, чем азотирование.

Особенности технологии

Чтобы насытить стальную поверхность азотом, используется муфель, изготовленный из железа. В нём размещается заготовка. Печь, в которой расположен муфель, разогревается до 600 градусов. В процессе нагревания муфель заполняется аммиаком и другими газами. При попадании в камеру аммиак разлагается. При этом выделяется азот, который насыщает поверхностные слои материала.

Какие факторы влияют на азотирование

Характеристики изделия зависят от условий, в которых проводится процесс насыщения азотом стальных заготовок. На азотирование влияют некоторые факторы:

  • температурный режим, поддерживаемый при проведении обработки;
  • уровень давления, при котором муфель наполняется газом;
  • длительность проведения процедуры.

Чтобы ускорить процесс насыщения стальной поверхности азотом, применяется двухэтапная технология. На первой этапе заготовка нагревается до 525 градусов. Во время второго этапа детали разогревается до 600 градусов.

Варианты сред для обработки

Чтобы провести азотирование, применяются разнообразные газовые среды. Самой популярной считается смесь из 50% пропана и 50% аммиака. Металлическая поверхность нагревается до 570 градусов. Длительность процесса — около 3-х часов.

Иногда азотирование проводится в жидких средах. Сплав из цианистых солей нагревается до 570 градусов. В него на 3 часа опускается заготовка.

Разновидности азотирования и используемое оборудование

Чтобы провести процедуру азотирования можно использовать несколько видов оборудования, выбор которого зависит от выбранной технологии процесса насыщения стали азотом.

Изделие после обработки

Газовое

Насыщение стали азотом проводится при температурном диапазоне 400–1200 градусов Цельсия. При этом применяется диссоциированный аммиак. Характеристики можно изменять при помощи повышения или понижения температуры нагрева.

Чтобы выполнить обработку заготовки газовым методом, используются камерные и шахтные печи. Опытные металлурги рекомендуют использовать шахтные ретортные печи. Связано это с особенностями оборудования и возможностью равномерно распределять температуру по всей поверхности заготовки.

Каталитическое газовое

Этот способ обработки считается более модифицированным. Рабочим газовым составом является диссоциированный аммиак. Диапазон температур во время проведения азотирования выбирается в пределах 200–400 градусов Цельсия. Преимущество этого метода в том, что используются меньшие температурные режимы, чем при обычном газовом азотировании.

Оборудование для разогрева представляет собой комплекс элементов:

  • панель управления и настройки печи;
  • водное охлаждение;
  • камера, в которой после включения образуется вакуум;
  • механизмы, откачивающие воздух для создания вакуума;
  • система, с помощью которой рабочая камера заполняется газом.

Чтобы изменить параметры слоев стали насыщенных азотом, применяется несколько способов. К ним относится насыщаемость азотом, добавка к рабочей среде метана, аргона, водорода.

Азотирование с применением растворов электролита

Анодный электролитный нагрев считается одним из скоростных способов обработки стальных поверхностей. Этот метод подразумевает под собой направление на заготовку импульсных зарядов электричества, которые проходят через всю деталь. При этом она должна находиться в ёмкости, заполненной электролитическим раствором.

Азотирование электролитом

Преимущества технологии

У технологии азотирования существует ряд преимуществ:

  1. Улучшенный слой стали сохраняет свои характеристики при температуре до 650 градусов.
  2. Этапы проведения процедуры не включают в себя предварительное разогревание заготовки.
  3. Повышенный показатель твердости и износоустойчивости и обработанной детали.
  4. Устойчивость к механическим нагрузкам и коррозии.

Дополнительно повышается показатель выносливости металла.

Как протекает процесс

Провести подобную процедуру обработки металла в домашних условиях практически невозможно. Для этого требуется использовать промышленное оборудование и рабочие смеси газов. Обработка проходит в несколько этапов:

  1. Процесс проведения азотирования начинается после шлифовки заготовки и доведения её до конечных габаритов.
  2. Далее места, которые не требуется насыщать азотом, защищаются от его воздействия. Защитный слой получается из жидкого стекла или олова, которое наносится на поверхность заготовки в процессе электролиза.
  3. Проводится азотирование металла.

Последним этапом является финишная обработка детали. Это может быть дополнительная шлифовка или полировка.

При необходимости улучшить характеристики стальной поверхности применяются методы цементации и азотирования. Второй вариант считается более эффективным. Существует несколько вариантов насыщения металла азотом, при которых используется разное оборудование и рабочие среды.

%PDF-1.6%
75 0 obj >endobj
xref
75 60
0000000016 00000 n
0000002434 00000 n
0000002496 00000 n
0000002680 00000 n
0000002940 00000 n
0000003086 00000 n
0000003632 00000 n
0000003768 00000 n
0000004529 00000 n
0000004670 00000 n
0000005338 00000 n
0000005402 00000 n
0000005544 00000 n
0000005787 00000 n
0000006130 00000 n
0000006165 00000 n
0000006369 00000 n
0000006821 00000 n
0000007153 00000 n
0000007351 00000 n
0000007681 00000 n
0000007870 00000 n
0000008065 00000 n
0000009157 00000 n
0000010139 00000 n
0000011079 00000 n
0000012046 00000 n
0000013002 00000 n
0000013137 00000 n
0000013449 00000 n
0000014438 00000 n
0000014592 00000 n
0000014933 00000 n
0000016002 00000 n
0000017003 00000 n
0000019673 00000 n
0000027805 00000 n
0000028000 00000 n
0000028477 00000 n
0000034941 00000 n
0000067276 00000 n
0000067474 00000 n
0000068076 00000 n
0000071645 00000 n
0000079443 00000 n
0000079632 00000 n
0000084191 00000 n
0000084400 00000 n
0000084723 00000 n
0000111829 00000 n
0000112033 00000 n
0000112512 00000 n
0000112966 00000 n
0000146983 00000 n
0000155234 00000 n
0000155418 00000 n
0000155614 00000 n
0000171879 00000 n
0000179065 00000 n
0000001496 00000 n
trailer
]>>
startxref
0
%%EOF

134 0 obj>stream
xb«`f«c`c` Ā

        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 = 2019 (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.

         Азотирование титановых сплавов проводится при 850—950 °С в азоте высокой чистоты (А. в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла).

         При А. образуется верхний тонкий нитридный слой и твёрдый раствор азота в α-титане. Глубина слоя за 30 ч — 0,08 мм с поверхностной твёрдостью HV = 800—850 (соответствует 8—8,5 Гн/м2). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3—5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии. А. титановых сплавов в разреженном азоте [100—10 н/м2 (1—0,1 мм рт ст.)] позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны.

         А. широко применяют в промышленности, в том числе для деталей, работающих при t до 500—600 °С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).

         Лит.: Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965: Гуляев А. П..Металловедение, 4 изд., М., 1966.

         Д. И. Браславский.

        Макроструктура азотированного слоя железа при 650°C (увеличено в 500 раз).

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
1969—1978.

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 2019 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.