Оборудование и технология ионного азотирования. Ионное азотирование и нанесение покрытий

А.В. АРЗАМАСОВ
МГТУ им. Н. Э. Баумана
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1991 г.

Разработка новых производственных процессов ионного азотирования с целью повышения износостойкости поверхности деталей, изготовленных из аустенитных сталей, является актуальной задачей

Аустенитные стали относятся к трудноазотируемым, так как их поверхностные оксидные пленки препятствуют насыщению азотом и коэффициент диффузии азота в аустените меньше, чем в феррите. В связи с этим для удаления оксидных пленок при обычном азотировании необходима предварительная обработка поверхности стали или применение депассиваторов.

Обычное азотирование большинства аустенитных сталей проводят в аммиаке при 560-600 °С в течение 48-60 ч. Однако эти режимы не позволяют получить диффузионные слои толщиной более 0,12-0,15 мм, а на стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69) невозможно получить толщину диффузионного слоя более 0,12 мм даже при азотировании в течение 100 ч. Повышение температуры азотирования в печи выше 700 °С приводит к более полной диссоциации аммиака и, вследствие этого, к понижению активности процесса.

Как правило, после обычного азотирования ухудшается коррозионная стойкость поверхностных слоев аустенитных сталей .

Ионное азотирование аустенитных сталей способствует увеличению коэффициента диффузии азота и не требует применения депассиваторов. При этом сокращается длительность процесса и улучшается качество получаемых азотированных слоев .

Однако ионное азотирование аустенитных сталей по ранее разработанным режимам не позволяло получать диффузионные слои большой толщины даже при длительных выдержках

На основании термодинамических расчетов и экспериментальных исследований был разработан режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей, позволяющий получать качественные глубокие износостойкие немагнитные коррозионно-стойкие диффузионные слои в сравнительно короткое время. Оксидные пленки удалялись с поверхности деталей в процессе химико-термической обработки .

Исследовали стандартные аустенитные стали 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 12Х18Н10Т (ЭЯ1Т); 25Х18Н8В2 (ЭИ946) и опытные высокоазотистые, разработанные Институтом металловедения и технологии металлов Болгарской Академии наук - типа Х14АГ20Н8Ф2М (0,46% N), Х18АГ11Н7Ф (0,70% N), Х18АГ12Ф (0,88% N), Х18АГ20Н7Ф (1,09% N), Х18АГ20Ф (1,02% N), Х18АГ20Ф (2,00% N) .

Исследование структуры диффузионных слоев на сталях проводили с помощью металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Установлено, что структурным критерием высокой износостойкости азотированных аустенитных сталей является наличие в диффузионном слое нитридов типа CrN. Анализ концентрационных кривых химических элементов, полученных с помощью микроанализаторов ISM-35 CF, Cameca MS-46, Camebax 23-APR-85 показал, что по сравнению с другими тяжелыми элементами хром наиболее скачкообразно распределяется по толщине слоя. В сердцевине образцов распределение хрома равномерное.

Неоднократное повторение экспериментов по исследованию распределения азота и хрома по толщине диффузионного слоя выявило синхронные скачкообразные изменения их концентраций. Кроме того, как показали послойные испытания на изнашивание, наибольшую износостойкость имеет микрозона диффузионного слоя с максимальным содержанием азота и хрома (табл. 1).

Таблица 1.

h, мкм	Содержание химических элементов, %				ε
h, мкм	C	N	Cr	Ni	ε
20	0,70	10,0	19,0	11,0	9,5
40	0,85	12,0	25,0	8,0	10,7
45	0,88	15,0	25,0	8,0	11,2
50	0,92	10,0	25,0	8,0	11,0
70	0,90	0	14,0	12,0	1,7
* — остальное Fe Примечания: 1. Испытания на изнашивание проводили на машине «Шкода-Савин». 2. Относительную износостойкость определяли по отношению объёмов вытертых лунок на эталоне (стальной образец с твёрдостью 51 HRC) и исследуемом образце ε = V эт /V обр (относительная износостойкость сердцевины ε=0,08).

Дальнейшее исследование структуры азотированных аустенитных сталей с помощью микрорентгеноспектрального анализа позволило установить, что в микрозонах диффузионных слоев с повышенным содержанием азота и хрома наблюдается пониженная концентрация углерода, никеля и железа (табл. 1).

Сравнительный анализ микроструктуры слоя и сердцевины азотированной стали 45Х14Н14В2М, снятой в характеристическом хромовом К α -излучении показал, что в диффузионном слое содержится больше скоплений «белых точек» - соединений хрома, чем в сердцевине.

Послойные измерения магнитной проницаемости с помощью магнетоскопа F 1.067 и определение содержания ферритной фазы на ферритометре МФ-10И показали, что разработанный способ ионного азотирования деталей из аустенитных сталей способствует получению немагнитных диффузионных слоев (табл. 2).

Таблица 2.

Было также установлено, что азотированные стали 45Х14Н14В2М и типа Х14АГ20Н8Ф2М имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

По новому технологическому процессу была обработана партия шестерен, изготовленных из стали 45Х14Н14В2М. Детали соответствовали техническим требованиям. Микро- и макроструктурный анализ подтвердил наличие у шестерен качественного равномерного диффузионного слоя толщиной 270 мкм.

После длительных промышленных испытаний видимых дефектов на шестернях не обнаружено. Дальнейший контроль показал соответствие геометрических размеров шестерен технологическим требованиям, а также отсутствие изнашивания рабочих поверхностей деталей, что было подтверждено микроструктурным анализом.

Заключение. Разработанный режим ионного азотирования деталей из аустенитных сталей позволяет сократить длительность процесса более чем в 5 раз, при этом толщина слоя увеличивается в 3 раза, а износостойкость слоя - в 2 раза по сравнению с аналогичными параметрами после обычного азотирования. Кроме того, снижается трудоемкость, повышается культура производства и улучшается экологическая обстановка.

Список литературы:
1. Прогрессивные методы химико-термической обработки / Под ред. Г. Н. Дубинина, Я. Д. Когана. М.: Машиностроение, 1979. 184 с.
2. Азотирование и карбонитрирование / Р. Чаттерджи-Фишер, Ф. В. Эйзелл, Р. Хоффман и др.: Пер. с нем. М.: Металлургия, 1990. 280 с.
3. А. с. 1272740 СССР, МКИ С23С8/36.
4. Банных О. А., Блинов В. М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. М.: Наука, 1980. 192 с.
5. Рашев Ц. В. Производство легированной стали. М.: Металлургия, 1981. 248 с.

Долговечность деталей газотурбинных двигателей во многом определяется состоянием их поверхности, и в первую очередь ее износостойкостью. Одним из широко распространенных методов повышения износостойкости поверхностей деталей авиационных двигателей и самолетов является азотирование. Азотированию подвергаются детали, которые в процессе эксплуатации в основном работают на трение.

Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом. Азотирование проводится с целью повышения твердости и износостойкости поверхностных слоев стальных изделий, улучшения сопротивления усталости и электрохимической коррозии деталей.

При азотировании азот образует с железом ряд фаз: азотистый феррит - твердый раствор азота в -железе, азотистый аустенит - твердый раствор азота в -железе, промежуточные ` -фазу Fe4N, -фазу Fe2N и др. Однако нитриды железа обладают недостаточной прочностью, твердостью, высокой хрупкостью по сравнению с нитридами хрома CrN, Cr2N, молибдена MoN, алюминия AlN и некоторых других легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие указанные элементы: 45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш и другие стали, которые используются для изготовления втулок, штоков, седел клапанов, различных корпусов и т. д.

Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьезными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой -фазы на поверхности деталей, их значительные нестабильные деформации. Шлифование, являющееся основной операцией при обработке азотированных поверхностей представляет собой длительный и трудоемкий процесс.

Процесс ионного азотирования осуществляется в вакуумной рабочей камере, в которой детали являются катодом, а заземленный корпус камеры - анодом. При пониженном давлении азотосодержащей атмосферы приложение электрического потенциала между деталями и корпусом камеры вызывает ионизацию газа. В результате бомбардировки ионами детали нагреваются до требуемой температуры, а поверхность, насыщаясь азотом, упрочняется.

Обычно азотирование проводят при температурах ниже 600С, когда происходит преимущественная диффузия азота. Скорость диффузионного переноса азота зависит от температуры, градиента концентрации, состава и строения основного материала и других факторов. Диффузия атомов азота осуществляется по вакансиям, дислокациям и другим дефектам кристаллического строения. В результате диффузии изменяется концентрация азота в поверхностном слое по глубине.

Наибольшее ускорение процесса азотирования достигается в плазме тлеющего разряда, когда в разряженной атмосфере между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа бомбардируют поверхность катода и нагревают ее до температуры 470-580С. Положительно заряженные ионы азота под действием энергии электростатического поля движутся с определенной скоростью по перпендикуляру к поверхности детали, причем энергия иона азота, полученного в плазме тлеющего разряда, при разности потенциалов 800 В примерно в 3000 раз превосходит энергию атома азота при печном азотировании в диссоциированном аммиаке. Ионы азота нагревают поверхность детали, а также распыляют атомы железа с поверхности (катодное распыление). Атомы железа соединяются с азотом в плазме тлеющего разряда и образуют нитрид железа, который осаждается на поверхности детали тонким слоем. Впоследствии бомбардировка слоя FeN ионами азота сопровождается образованием низших нитридов FeNFe3NFe4N и твердого раствора азота в -железе Fe(N). Азот, образовавшийся при распаде низшего нитрида, диффундирует в глубь материала детали, а железо снова распыляется в плазму.

В отличие от печного нагрева при ионном азотировании (в плазме тлеющего разряда) разогрев деталей осуществляется за счет энергии плазмы, расходуемой пропорционально массе садки. При этом не требуется печей с массивной кладкой.

Азотирование легкопассивирующихся высокохромистых нержавеющих сталей обязательно требует добавок водорода в газовую среду. Для получения качественных диффузионных слоев без -фазы на поверхности при ионном азотировании сталей различных классов целесообразно проводить стадию катодного распыления в водороде при давлении около 13 Па и напряжении около 1000 В, а стадию насыщения - в смеси (3-5%) водорода и (95-97%) азота при давлении 133-1330 Па. Газовая среда такого состава обеспечивает равномерность толщины диффузионных слоев на деталях, размещенных в садке по объему рабочей камеры. Увеличение давления смеси на второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования, по действующей серийной технологии. Зависимость глубины диффузионного слоя от продолжительности насыщения при ионном азотировании так же, как и при печном, имеет параболический характер. Влияние температуры ионного азотирования на глубину слоя имеет зависимость, близкую к экспоненте.

При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой -фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования максимальную твердость имеет поверхность. Диаметры азотированных деталей типа «вал» изменяется, как правило, на 30-40 мкм, что зачастую укладывается в поле допуска. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранение чистоты, можно ее не обрабатывать, либо ограничиться полированием или легкой притиркой.

С помощью ионного азотирования на базовом заводе удалось достичь высокой эффективности в повышении стойкости режущих инструментов и штампов горячего деформирования при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых, титановых и нержавеющих сталей.

Практика внедрения и использования процесса ионного азотирования деталей в промышленности показала целесообразность широкого внедрения этого процесса в серийное производство. Процесс ионного азотирования позволяет:

Увеличить ресурс работы азотированных деталей;

Обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

Сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операции по нанесению гальванопокрытий;

В ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

Сократить продолжительность цикла азотирования более чем в 2 раза;

Улучшить гигиену труда.

Особенностью производства авиационных двигателей является большое разнообразие марок сталей, в том числе упрочняемых азотированием. Разработке технологического процесса ионного азотирования предшествовал глубокий анализ достижений в этой области зарубежных и отечественных исследований.

Исследованию упрочнения ионным азотированием подвергались конструкционные стали перлитного, аустенитного, мартенситного, переходного классов, мартенситно-стареющие стали следующих материалов: 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 38ХА, 40ХА, 13Х11Н2В2МФ (ЭИ961), 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 25Х18Н8В2, 40Х10С2М, 14Х10С2М, 14Х17Н2, 15Х15К5Н2МВФАБ-Ш (ЭП866), 30Х2НВА, 16Х3НВФАБ-Ш, (ДИ39, ВКС-5), Н18К9М5Т (МС200) и др. Задача исследований - разработка технологических процессов с целью перевода печного азотирования деталей на ионное, новых технологических процессов ионного азотирования деталей вместо цементации, а также ранее не упрочняемых химико-термической обработкой.

Для деталей, работающих на износ при небольших контактных давлениях в условиях коррозии, необходимо получение диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках в условиях износа при повышенных контактных нагрузках, нужно стремиться к получению слоя с большой зоной внутреннего азотирования.

Варьирование структуры слоя позволяет получать разнообразные сочетания слоя и сердцевины. Это подтверждается многочисленными примерами азотирования для различных групп деталей.

При разработке технологических процессов были проведены комплексные систематические исследования влияния основных технологических факторов на качество и эксплуатационные характеристики диффузионного слоя при ионном азотировании с целью оптимизации их параметров.

Высокое содержание водорода в смеси, в том числе и соответствующее составу при полной диссоциации аммиака, способствует образованию нитридных фаз на азотируемой поверхности в виде монослоя вплоть до -фазы (Fe2N). Кроме того, смесь азота с высоким содержанием водорода как в баллоне смесителя, где производится приготовление смеси, так и в рабочей камере через определенное время начинает оказывать влияние на глубину азотированного слоя, а также на его неравномерность на деталях по объему садки. Водород в газовой среде при ионном азотировании играет роль восстановителя оксидов на упрочняемой поверхности, препятствующих непосредственному контакту и взаимодействию азота с металлом.

Стали обычного класса азотируются в чистом азоте без добавок водорода. Однако азотированные слои не всегда бывают равномерными по глубине.

В результате исследований влияния давления в рабочей камере на качество азотированного слоя можно рекомендовать проведение первой стадии (катодного распыления) в водороде при давлении около 13 Па и при напряжении около 1000 В. Увеличение давления смеси второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя, и ионное азотирование следует проводить при давлении 133-1330 Па.

На качество диффузионных слоев влияют температура и продолжительность процесса. На рисунке.. показано влияние этих факторов на глубину слоя некоторых сталей, отличающихся составом и являющихся типичными представителями различных классов.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования по действующей серийной технологии.

Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя является важной эксплуатационной характеристикой. При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой -фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования всех сталей максимальную твердость имеет поверхность. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранения чистоты, можно ее не обрабатывать либо ограничится полированием или легкой притиркой.

После ионного азотирования у всех сталей -фаза на поверхности отсутствует. Отсутствие -фазы на поверхности при ионном азотировании обусловлено, вероятно, барьерным воздействием оксидов, снижающих содержание азота непосредственно на металле, катодным распылением и меньшей устойчивостью -фазы в вакууме и в плазме тлеющего разряда.

Одной из основных эксплуатационных характеристик многих деталей авиадвигателей и самолетов является износостойкость.

Исследование износостойкости проводилось как с поверхности азотированных образцов, так и после шлифования на глубину 0,03-0,06 мм.

Ионному азотированию деталей в серийном производстве подвергают в основном три вида деталей. Это детали, подвергаемые обычному азотированию в диссоциированном аммиаке, цементируемые детали с небольшими и средними нагрузками работы на изделии и детали со значительным износом, не подвергаемые упрочнению химико-термической обработкой из-за невозможности последующей доработки шлифованием ввиду сложной геометрической формы.

Большая длительность изотермической выдержки, достигающая 50 ч, при значительной номенклатуре азотированных деталей нередко нарушает ритмичность производства. Другим существенным недостатком серийной технологии является большая трудоемкость при изготовлении деталей, связанная с нанесением и удалением гальванических покрытий, применяемых для защиты от азотирования. Шлифование азотированных деталей, особенно сложной конфигурации, иногда сопровождается неравномерным браком, который практически не обнаруживается контролем и проявляется лишь в процессе эксплуатации на серийном двигателе в результате преждевременного износа дефектного слоя. При шлифовании деталей, особенно из такой сложнолегированной стали, как 15Х16К5Н2МВФАБ, на острых кромках иногда образовывались трещины вследствие релаксации остаточных напряжений, а также в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой непосредственно после азотирования.

Целесообразно подвергать упрочнению ионным азотированием окончательно изготовленные детали. Это обусловлено тем, что максимальной твердостью и износостойкостью после ионного азотирования обладает непосредственно поверхность или близко прилегающие к ней слои, в то время как после обычного азотирования более работоспособными оказываются слои, расположенные на некотором расстоянии от поверхности.

Чтобы учесть припуск на «припухание» при изготовлении, было исследовано влияние ионного азотирования на изменение размеров деталей. Исследования проводились на типовых представителях деталей. Была установлена статистика распределения деталей по изменению размеров. Детали типа вал имеют после ионного азотирования увеличение диаметра. У втулок и сфер наружный диаметр увеличивается, а внутренний - уменьшается. У большинства азотированных деталей диаметр изменился на 30 - 40 мкм.

Некоторые детали азотируют после финишной механической обработки, и отклонения размеров укладывались в поле допуска. Таким образом, в процессе изготовления деталей исключалась трудоемкая операция шлифования азотированной поверхности. Это обстоятельство позволяет расширить номенклатуру упрочняемых деталей, где механическая обработка после их упрочнения затруднительна или невозможна (например, изогнутые детали типа бандаж).

Для защиты неазотированных поверхностей была разработана и изготовлена оснастка. При ионном азотировании деталей в отличие от печного защита поверхностей, не подлежащих азотированию, является наиболее технологичной. Никелирование и лужение, применяемые для защиты неазотируемых поверхностей при печном азотировании, являются операциями трудоемкими и не всегда обеспечивают необходимое качество защиты. Кроме того, после азотирования часто необходимо удаление этих покрытий химическими или механическими способами.

При ионном азотировании защита неазотируемых поверхностей осуществляется с помощью металлических экранов, которые плотно соприкасаются с поверхностью, не подлежащей азотированию (зазор не более 0,2 мм). Эта поверхность не подвергается воздействию тлеющего заряда и, таким образом, надежно защищается от азотирования. При азотировании деталей многократно применялась защита от азотирования с помощью экранов различных поверхностей, таких как плоскости, внутренние и наружные цилиндрические поверхности, резьбовые поверхности и др. Практика показала надежность и удобство такого способа защиты. Приспособления для этих целей могут использоваться многократно. Поверхности деталей, не подлежащие азотированию, могут быть обработаны окончательно.

Процесс ионного азотирования позволяет:

увеличить ресурс работы азотированных деталей;

обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операций по нанесению гальванопокрытий;

в ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

сократить продолжительность цикла азотирования более чем в два раза;

улучшить гигиену труда.

В промышленности в настоящее время применяют три различных вида азотирования: для получения высокой твердости поверхностного слоя, антикоррозионное ионное и «мягкое» азотирование и др.

Для получения высокой твердости деталей из конструкционных сталей процесс ведут при температуре от 500 до 520С в течение до 90 часов. Степень диссоциации аммиака регулируется его подачей и колеблется в пределах от 15 до 60%. При одноступенчатом режиме азотирования процесс ведут при постоянной температуре (500520С), а затем ее поднимают до 560570С. Это приводит при пониженной температуре к образованию вначале тонкого хорошо насыщенного азотом слоя с мелкодисперсными нитридами, а затем, при повышении температуры, скорость диффузии возрастает и сокращается время получения необходимой толщины азотированного слоя. Двухступенчатый цикл азотирования снижает время процесса насыщения стали азотом в 22,5 раза.

При совершенствовании процесса азотирования должны быть решены следующие важные задачи:

создание регулируемого процесса, обеспечивающего получение заданного газового состава, строения и глубины диффузионного слоя;

интенсификация процесса формирования азотированного слоя.

Разработаны два принципиально новых метода прямого контроля процесса азотирования, один из них позволяет оценивать азотный потенциал атмосферы печи по ее ионному составу (ионные диссоциомеры), а с другой - открывает возможности прямого анализа кинетики формирования диффузионных покрытий в процессе азотирования (токовихревые анализаторы). Азотный потенциал контролируется при помощи ионизационного датчика с обратной связью со смесеприготовительной системой.

Для азотирования должны применяться качественно новые установки с программным управлением технологическим процессом. Интенсификация процесса азотирования может быть достигнута путем повышения температуры насыщения, регулирования активности атмосферы, изменения ее состава, а также применения магнитных полей и различных видов электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего).

При химико-термической обработке глубина насыщенного слоя в некоторых случаях бывает больше требуемой, в других - меньше требуемой, иногда возникает коробление и деформация, растрескивается насыщенный слой и т.п. Характеристика брака химико-термической обработки, основные причины его появления, мероприятия по устранению брака приведены в таблице.

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.

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:

Существенно повышается износостойкость поверхности за счет возросшего индекса твердости.
Улучшается значение выносливости и сопротивление к росту усталости структуры металла.
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:

В большинстве случаев процедура проводится при температуре около 600 градусов Цельсия. Деталь помещается в герметичную муфельную печь из железа, которая помещается в печи.
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.
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.
Молекулы азота проникают в металл по причине прохождения процесса диффузии. Засчет этого на поверхности активно образуются нитриды, которые характеризуются повышенной устойчивостью к механическому воздействию.
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.

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

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.
Далее выполняется механическая обработка для придания нужной форы и размеров.
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.
Выполняется азотирование стали по одной из наиболее подходящих методик.
Проводятся работы по финишной механической обработке, снятию защитного слоя.

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.

Внесение азота проводится при применении следующих марок стали:

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.
В станкостроении наиболее распространение получили стали 40Х и 40ХФА.
При изготовлении валов, которые часто подвергаются изгибающим нагрузкам применяют марки 38ХГМ и 30ХЗМ.
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.

Основные виды азотирования

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

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.
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.
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.

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

Каталитическое газовое азотирование

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:

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

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:

Углеродистая может иметь твердость в пределах 200-250HV.
Легированные сплавы после проведения азотирования обретают твердость в пределе 600-800HV.
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.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) - метод химико-термической обработки изделий из стали и чугуна с большими технологическими возможностями, позволяющий получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности. плазменный азотирование микротвердость легированный

Температурный диапазон ионного азотирования шире, чем газового и находится в пределах 400-600 0 С. Обработка при температурах ниже 500 0 С особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, т.к. значительно повышаются их эксплуатационные свойства при сохранении твердости сердцевины на уровне 55-60 HRC.

Упрочняющей обработке методом ИПА подвергаются детали и инструменты практически всех отраслей промышленности (рис.1).

Рис. 1.

В результате ИПА можно улучшить следующие характеристики изделий: износостойкость, усталостную выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость и коррозионную стойкость.

В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПА имеет следующие основные преимущества:

· более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;
· отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности;
· повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;
· более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурных превращений;
· возможность обработки глухих и сквозных отверстий;
· 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;
· снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

Так, например, по сравнению с газовым азотированием в печах, ИПА обеспечивает:

· сокращение продолжительности обработки в 2-5 раз, как за счет снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счет уменьшения времени изотермической выдержки;
· снижение хрупкости упрочненного слоя;
· сокращение расхода рабочих газов в 20-100 раз;
· сокращение расхода электроэнергии 1,5-3 раза;
· исключение операции депассивации;
· снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку;
· простота и надежность экранной защиты от азотирования неупрочняемых поверхностей;
· улучшение санитарно-гигиенических условий производства;
· полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды.

По сравнению с закалкой обработка методом ИПА позволяет :

· исключить деформации;
· увеличить ресурс работы азотированной поверхности в 2-5 раз.

Применение ИПА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред.

Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (р =200-1000 Па) азотсодержащей газовой среде между катодом - деталями - и анодом - стенками вакуумной камеры - возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней - нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси.

Температура процесса , площадь садки, участвующей в теплообмене и эффективность теплообмена со стенкой (количество экранов) определяют мощность, необходимую для поддержания разряда и обеспечивающую нужную температуру изделий. Выбор температуры зависит от степени легированности азотируемой стали нитридообразующими элементами: чем выше степень легированности, тем выше температура.

Температура обработки должна быть как минимум на 10-20 0 С ниже температуры отпуска.

Длительность и температура процесса насыщения определяют глубину слоя, распределение твердости по глубине и толщину нитридной зоны.

Состав насыщающей среды зависит от степени легирования обрабатываемой стали и требований к твердости и глубине азотированного слоя.

Давление процесса должно быть таким, чтобы обеспечивалось плотное «облегание» разрядом поверхности изделий и получение равномерного азотированного слоя. Однако, при этом следует иметь в виду, что разряд на всех стадиях процесса должен быть аномальным, т. е. поверхность всех деталей в садке полностью должна быть покрыта свечением, а плотность разрядного тока должна быть больше нормальной плотности для данного давления с учетом эффекта нагрева газа в катодной области разряда.

С появлением установок ИПА нового поколения, использующих в качестве рабочей среды регулируемые по составу смеси водорода, азота и аргона, а так же плазму «пульсирующего», а не постоянного тока, технологичность процесса ионного азотирования существенно возросла.

Использование комбинированного нагрева («горячие» стенки камеры) либо усиленной тепловой защиты (тройной теплозащитный экран) наряду с возможностью независимо регулировать состав газа и давление в камере позволяют при обработке режущего инструмента избежать перегрева тонких режущих кромок в процессе разогрева садки, точно регулировать время насыщения а, соответственно, и глубину слоя, т.к. разогрев изделий возможно производить в безазотной среде, например, в смеси Ar+H 2 .

Эффективная теплоизоляция в рабочей камере (тройной теплозащитный экран) позволяет обрабатывать изделия с низким удельным энергопотреблением, что позволяет свести к минимуму температурные различия внутри садки во время обработки. Об этом свидетельствует распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для образцов, располагавшихся в разных местах садки (рис. 2).

Рис. 2.

а, в - шестерня массой 10,1 кг, 51 шт., ст - 40Х, модуль 4,5, выдержка 16 часов, Т= 530 0 С;

б, г - шестерня массой 45 кг, 11 шт., ст - 38ХН3МФА, модуль 3,25 (наружный венец) и 7 мм (внутренний венец), выдержка 16 часов, Т=555 0 С.

Ионное азотирование - эффективный метод упрочняющей обработки деталей из легированных конструкционных сталей : шестерен, зубчатых венцов, вал-зубчатых шестерен, валов, прямозубых, конических и цилиндрических шестерен, муфт, валов-шестерен сложной геометрической конфигурации и др.

Цементация, нитроцементация и ТВЧ-закалка оправдывают себя при изготовлении тяжелонагруженных деталей (зубчатые колеса, оси, валы и др.) низкой и средней точности, не требующих последующей шлифовки.

Указанные виды термообработки экономически нецелесообразны при изготовлении средне- и низконагруженных высокоточных деталей, т.к. при данной обработке наблюдается значительное коробление и требуется последующая шлифовка. Соответственно, при шлифовке необходимо снимать значительную толщину упрочненного слоя.

ИПА позволяет существенно снизить коробление и деформацию деталей при сохранении шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, что позволяет в подавляющем большинстве случаев использовать ИПА как финишную обработку.

Применительно к станкостроению, ионное азотирование зубчатых колес в существенной мере снижает шумовые характеристики станков, тем самым, повышая их конкурентоспособность на рынке.

ИПА наиболее эффективно при обработке крупносерийных однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, вал-зубчатых шестерен и др. Шестерни, подвергнутые плазменному азотированию, имеют лучшую стабильность размеров по сравнению с цементованными шестернями и могут использоваться без дополнительной обработки. При этом несущая способность боковой поверхности и прочность основания зуба, достигаемые с помощью плазменного азотирования, соответствуют цементованным шестерням (таб. 1).

Таблица 1. Характеристики сопротивления усталости сталей в зависимости от способов упрочнения зубчатых колес

При упрочняющей обработке методом ионного азотирования деталей из цементуемых, низко- и среднелегированных сталей (18ХГТ, 20ХНЗА, 20ХГНМ, 25ХГТ, 40Х, 40ХН, 40ХФА и др.) необходимо в начале проводить улучшение поковок - объемную закалку и отпуск до твердости 241-285 НВ (для некоторых сталей - 269-302 НВ), затем механическую обработку и в завершение - ионное азотирование. Для обеспечения минимальной деформации изделий перед азотированием для снятия напряжений рекомендуется проводить отжиг в атмосфере защитного газа, причем температура отжига должна быть выше температуры азотирования. Отжиг следует проводить перед точной механической обработкой.

Глубина азотированного слоя, формируемого на указанных изделиях, изготовленных из сталей 40Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 20Х2Н4А и др., составляет 0,3-0,5 мм при твердости 500-800 HV в зависимости от марки стали (рис 3).

Для передач, работающих в условиях более тяжелых нагрузок, азотированный слой должен быть на уровне 0,6-0,8 мм с тонкой нитридной зоной или вообще без нее.

Рис. 3.

Оптимизация свойств упрочненного слоя определяется совокупностью характеристик основного материала (твердость сердцевины) и параметрами азотированного слоя. Характер нагрузки определяет глубину диффузионного слоя, тип и толщину нитридного слоя:

· износ - "- или -слой;
· динамическая нагрузка - ограниченная толщина нитридного слоя или вообще без нитридного слоя;
· коррозия - -слой.

Независимое управление расходом каждого из компонентов газовой смеси, давлением в рабочей камере и вариация температурой процесса позволяют формировать слои различной глубины и твердости (рис. 4), обеспечивая тем самым стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке (рис. 5).

Рис. 4.

1, 3, 5 - одностадийный процесс;
2,4 - двухстадийный процесс по содержанию N 2 в рабочей смеси
1,2 - T=530 0 C, t=16 часов; 3 - T=560 0 C, t=16 часов;
4 - T=555 0 C, t=15 часов, 5 - T = 460 0 С, t = 16 часов

Рис. 5.

Ионное азотирование широко известно и как один из эффективных методов повышения износостойкости режущего инструмента, изготовленного из быстрорежущих сталей марки Р6М5, Р18, Р6М5К5, Р12Ф4К5 и др.

Азотирование повышает износостойкость инструмента и его теплостойкость. Азотированная поверхность инструмента, обладающая пониженным коэффициентом трения и улучшенными антифрикционными свойствами, обеспечивает более легкий отвод стружки, а также предотвращает ее налипание на режущие кромки и образование лунок износа, что дает возможность увеличить подачу и скорость резания.

Оптимальной структурой азотированной быстрорежущей стали является высокоазотистый мартенсит, не содержащий избыточных нитридов. Указанная структура обеспечивается насыщением поверхности инструмента азотом при температуре 480-520 0 С в процессе кратковременного азотирования (до 1 часа). При этом формируется упрочненный слой глубиной 20-40 мкм с микротвердостью поверхности 1000-1200 HV0,5 при твердости сердцевины 800-900 HV (рис. 6) , а стойкость инструмента после ионного азотирования увеличивается в 2-8 раз в зависимости от его типа и вида обрабатываемого материала.

Рис. 6.

Главным достоинством ионного азотирования инструмента является возможность получения только диффузионного упрочненного слоя, либо слоя с монофазным нитридом Fe 4 N ("-фаза) на поверхности, в отличие от классического газового азотирования в аммиаке, где нитридный слой состоит из двух фаз - "+, что является источником внутренних напряжений на границе раздела фаз и вызывает хрупкость и отслаивание упрочненного слоя при эксплуатации.

Ионное азотирование является также одним из основных методов увеличения долговечности штампового инструмента и литьевой оснастки из сталей 5ХНМ, 4Х5МФС, 3Х2В8, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 38Х2МЮА, Х12, Х12М, Х12Ф1.

В результате ионного азотирования можно улучшить следующие характеристики изделий:

· Ковочные штампы для горячей штамповки и пресс-формы для литья металлов и сплавов - повышается износостойкость, уменьшается прилипание металла.
· Пресс-формы для литья алюминия под давлением - азотированный слой препятствует прилипанию металла в зоне подачи жидкой струи, и процесс заполнения формы является менее турбулентным, что увеличивает срок службы пресс-форм, а отливка получается более высокого качества.

Существенно улучшает ионное азотирование и эксплуатационные характеристики инструмента для холодной (T < 250 0 С) обработки - вытяжка, гибка, штамповка, прессование, резка, чеканка и прошивка.

Основные требования, обеспечивающие высокую работоспособность такого инструмента - высокая прочность при сжатии, износостойкость и сопротивление холодной ударной нагрузке - достигаются в результате упрочняющей обработки методом ионного азотирования.

Если для инструмента используется высокохромистая сталь (12% хрома), то азотированный слой должен быть только диффузионным, если низколегированные стали - то дополнительно к диффузионному слою должен быть г-слой - твердый и пластичный.

Особенностью ионного азотирования высокохромистых сталей является то, что выбирая температуру процесса можно в широких пределах сохранять твердость сердцевины изделия, задаваемую предварительной термической обработкой (табл. 2).

Для получения износостойкого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины штампа необходимо проводить вначале закалку с отпуском на вторичную твердость, размерную обработку и затем ионное азотирование.

Для исключения или сведения к минимуму деформаций, возникающих при ионном азотировании штампового инструмента, перед окончательной механической обработкой рекомендуется проводить отжиг в среде инертного газа при температуре как минимум на 20 С ниже температуры отпуска.

При необходимости применяют полировку азотированных рабочих поверхностей.

Таблица 2. Характеристики легированных сталей после ионно-плазменного азотирования.

Марка стали	Твердость сердцевины, HRC	Температура процесса	Характеристики слоя	Тип реко-менду-емого слоя соеди-нений
	Глубина, мм	Пов. тв-сть,HV 1	Толщина слоя соед.,мкм
Стали для горячей обработки




Стали для холодной обработки

Варьируя состав насыщающей среды, температуру процесса и его длительность можно формировать слои разной глубины и твердости (рис. 7,8).

пуансон массой 237 кг
пресс-форма массой 1060 кг.

Рис. 7. Примеры обработки штамповой оснастки (а, б) и распределение микротвердости по глубине азотированного слоя (в, г).

Таким образом, как показывает мировой опыт, применение технологии ионного азотирования для упрочняющей обработки изделий из конструкционных сталей, а так же режущего и штампового инструмента эта технология является эффективной и относительно легко реализуемой, особенно с применением плазмы пульсирующего тока.

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.

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.

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.

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.

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:

2NH 3 → 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.

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 Fe 3 N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
твердый раствор Fe 4 N, 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.

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 , характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%. 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:

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.

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.

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.

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).

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 N 2 или NH 3 , 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.