Азотирование стали — принцип работы, преимущества и типы

Многие виды термообработки используются в промышленности для того, чтобы сделать металлы более пригодными для различных применений.

В этой статье мы рассмотрим процесс термохимической обработки поверхности, который упрочняет внешнюю поверхность металла за счет повышения концентрации азота.

Азотирование - это тип процесса закалки, который упрочняет внешний слой детали путем насыщения поверхности детали азотом. Добавленный азот соединяется с легирующими элементами в составе металла, образуя твердые металлические нитриды.

Поскольку азот проникает только на определенную глубину, внутренняя часть детали сохраняет свои первоначальные свойства и, следовательно, является относительно более мягкой. В процессе азотирования можно получить конечную твердость поверхности до 76 HRC (90 HRA).

Твердый слой обычно имеет глубину 0,001 мм, но в некоторых случаях может достигать 2 мм. Глубиной азотированного слоя можно управлять, изменяя такие параметры, как продолжительность выдержки, температура азотирования, поток газа и т.д.

В процессе азотирования создается составной слой - белый слой в качестве внешнего слоя с диффузионной зоной под ним. Диффузионная зона состоит из поглощенного азота, а также твердых нитридных осадков.

Азотирование проводится при температурах ниже температуры аустенитизации стали. Формирование аустенита начинается при температуре 727 °C для обычной углеродистой стали, но для легированных сталей она варьируется в зависимости от состава.

Таким образом, азотирование обычно проводится при температуре процесса от 500 до 550 °C и до максимальной температуры 620 °C.

Процесс азотирования может длиться от 4 до 100 часов. После 100 часов толщина слоя увеличивается очень медленно, что делает процесс нецелесообразным.

Азотирование применяется не для всех типов стали. Оно может применяться для обычной углеродистой стали, но предпочтительнее использовать данный процесс для низкоуглеродистых легированных сталей, содержащих нитридообразующие элементы, такие как алюминий, молибден и хром. Эти элементы способствуют дисперсионному упрочнению.

Помимо сталей, азотирование также дает хорошие результаты при обработке титана, молибдена и алюминиевых сплавов.

Азотирование имеет много преимуществ по сравнению с такими популярными методами закалки, как науглероживание. Ниже перечислены некоторые из преимуществ азотирования.

Процесс азотирования происходит при температуре около 550 °C, что значительно ниже температуры других процессов, например, науглероживание. Поэтому азотированные детали подвергаются меньшему искажению и деформации и обеспечивают очень хороший контроль размеров.

Азотированные детали имеют высокую поверхностную твердость в сочетании с вязкой сердцевиной. Сочетание этих свойств обеспечивает износостойкую поверхность с гибкой сердцевиной, которая может выдерживать ударные нагрузки гораздо лучше, чем твердый материал.

Таким образом, можно использовать азотированные детали там, где присутствуют ударные нагрузки наряду с воздействием абразивов или трения, не опасаясь внезапного разрушения детали при высоких нагрузках.

Процесс азотирования повышает коррозионную стойкость некоторых сталей.

Осажденный твердый нитридный слой предотвращает образование ямок, которые в необработанной детали со временем подверглись бы точечной коррозии. Для достижения максимальной коррозионной стойкости белый слой, образующийся после процесса азотирования, должен сохраняться неповрежденным.

Плазменное азотирование, повышает коррозионную стойкость нержавеющей стали 410, поскольку слой нитрида железа на поверхности защищает металл под ним от коррозионного воздействия.

Но бывают случаи, когда азотирование увеличивает скорость коррозии. Например, когда плазменное азотирование проводилось на мартенситной нержавеющей стали X17CrNi16-2, ее коррозионная стойкость фактически снизилась. В основном это связано с образованием нитрида хрома, который снижает первоначальную защиту от коррозии, обеспечиваемую хромом в твердом растворе.

Азотирование также может придать деталям противозадирные свойства. Процесс азотирования повышает устойчивость детали к адгезионному износу между металлами в результате скользящего контакта.

Азотирование улучшает показатели усталостной прочности в диапазоне от 30 до 100 процентов в различных областях применения.

При высоких температурах слой закалки может начать терять свою твердость. Это обычно наблюдается при таких процессах, как науглероживание. Однако при азотировании скорость размягчения значительно ниже.

Таким образом, азотированные детали могут использоваться в высокотемпературных условиях без значительной потери поверхностной твердости.

Процесс азотирования — это диффузия азота в поверхностный слой легированной стали при высоких температурах. Существует три основных способа осуществления этого процесса. К ним относятся:

• Газовое азотирование;
• Азотирование в соляной ванне;
• Плазменное азотирование.

Давайте вкратце рассмотрим каждый тип и поймем, чем они отличаются друг от друга.

При газовом азотировании нагретая металлическая деталь подвергается воздействию безводного аммиака в печи. При повышении температуры аммиак разлагается на азот и водород. Азот диффундирует в поверхность, образуя исключительно твердый нитридный слой.

В зависимости от области применения газовое азотирование может быть одно- или двухступенчатым процессом. Современное оборудование позволяет точно контролировать процесс газового азотирования. Этот процесс можно использовать для массового производства, поскольку размер партии ограничивается только потоком газа и размером печи.

Газовое азотирование экономичнее других методов, особенно по сравнению с процессом плазменного азотирования. Но оно может занимать много времени – в некоторых случаях до 80 часов. Газовое азотирование часто используется для усиления зубчатых колес против усталостных разрушений при контакте качения.

При азотировании в соляной ванне материал помещается в жидкую ванну, содержащую азотную соль. При повышении температуры азот из соли попадает на поверхность детали. Соль может также иногда содержать углерод, что делает процесс не азотированием, а нитро-углероживанием.

Азотирование в соляной ванне обеспечивает большую диффузию азота в деталь, чем газовое азотирование при той же продолжительности. Это относительно простой процесс и протекающий быстрее, чем другие методы.

Азотирование в соляной ванне является популярным процессом при изготовлении коленчатых валов, зубчатых колес, инструментов и штампов.

Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование, использует ионизацию для нанесения азота на металлическую деталь.

Чистый азотный газ ионизируется в окружающей металлической подложке путем создания сильного электрического поля. Ионы азота диффундируют в поверхность подложки и образуют твердые металлические нитриды.

Поскольку процесс зависит от ионизации азотного газа, он не требует очень высоких температур. Для плазменного азотирования достаточно температуры 260 °C. Таким образом, плазма может быть горячей или холодной. Холодная плазма генерируется с помощью вакуумных трубок.

Плазменное азотирование обычно используется для закалки аустенитной нержавеющей стали и применяется для изготовления таких изделий, как медицинские/хирургические инструменты, автомобильные детали и строительные материалы.

Азотирование может быть очень эффективным методом получения деталей высокой твердости, способных заменить даже детали из инструментальной стали во многих областях применения.

В частности, азотирование нержавеющих сталей претерпело наибольшее развитие за последние 10 лет. Исследования позволили улучшить понимание и стоимость процесса, обеспечив при этом высокоточный контроль над ним.

Хотя азотирование уже широко используется в промышленности, ожидается, что в течение следующего десятилетия его применение возрастет еще сильнее.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Анодированный алюминий: Всё что нужно знать»‎ и «‎Магия серебрения: устойчивость к коррозии, электропроводность и многое другое»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!