Одним из недостатков молибдена, который ограничивает его применение в легировании стальных сплавов, является потенциальная возможность возникновения отпускной хрупкости. Эта форма хрупкости может проявляться во время медленного остывания стали, что негативно сказывается на ее эксплуатационных характеристиках.
Азотирование стали: задачи и методы
Азотирование стали — это современный термохимический процесс, целью которого является модификация прочностных и коррозионной стойкости характеристик стального сплава. Этот метод можно сравнить с цементацией, однако азотирование имеет определённые преимущества, что делает его более качественным вариантом.
Для демонстрации процессов азотирования подходят только определенные марки стали. Перед началом азотирования необходимо тщательно выбрать метод, подходящую рабочую среду и провести предварительную обработку деталей.
Суть азотирования стали
Основной момент в технологии азотирования заключается в термической обработке металлических заготовок под постоянным потоком аммиака. Для выполнения процесса азотирования используется специализированное оборудование — печи с герметичными камерами.
Цель азотирования стали состоит в изменении физических свойств заготовок, что включает:
- Увеличение износостойкости изделий за счёт повышения поверхностной прочности стали.
- Снижение риска образования участков с усталостью металла, что значительно улучшает долговечность изделий.
- Создание защитного поверхностного слоя, который обеспечивает коррозионную стойкость, защиту от воздействия агрессивных веществ и ударной деформации при непосредственном контакте.
Ключевой особенностью данной технологии является то, что геометрия обрабатываемых деталей сохраняется неизменной, поскольку процесс не требует применения экстремальных температур. Эта характеристика позволяет производить азотирование после таких этапов предварительной обработки, как высокоточная шлифовка и отпуск.
Кроме того, устойчивость к утрате механических свойств — ещё одно важное преимущество азотирования. В отличие от цементации, где при температуре свыше +225 °C происходит заметное снижение твердости металла, характеристики изделия после азотирования остаются стабильными даже при нагреве.
Азотирование стали ведет к значительным изменениям в эксплуатационных характеристиках сплава. Долговечность и прочность металла, прошедшего этот процесс, как правило, в два раза выше, чем у стали, закаленной по традиционным методам.
В зависимости от используемого метода подготовки металла, он может приобрести различные качества. Важно заметить, что метод азотирования придаёт стали такие достоинства, которые сохраняются даже под воздействием экстремальных температур, достигающих +500 °C. Ни одна другая технология не может обеспечить такие выдающиеся устойчивые характеристики материала.
В чем состоит суть технологии
Азотирование, как метод обработки стали, имеет множество преимуществ по сравнению с цементацией, что сделало его основным способом повышения качественных параметров металлического материала. Изучая технологию, можно понять, что такое азотирование стали и насколько оно играет важную роль в современных процессах обработки металлов.
В ходе выполнения работ на поверхности обрабатываемых деталей формируется сплошной азотистый слой, который, продвигаясь вглубь материала, преобразуется в твёрдый нитридный, отличающийся высокой твердостью и износостойкостью. Обрабатываемая деталь сохраняет свои размеры, что позволяет выполнять дальнейшую обработку стальных изделий, которые прошли необходимые этапы закалки и шлифовки. По завершении обработки металл может быть отправлен на полировку или обработан другим способом.
Азотирование стали — это термохимическая обработка, направленная на улучшение твердости и износостойкости. Процесс состоит в выдерживании стальных заготовок в азотной среде при высоких температурах. В конечном итоге, поверхность металла, насыщаемая азотом, претерпевает следующие изменения:
- Деталь получает повышенную стойкость к износу.
- Увеличивается прочность изделия.
- Формируется коррозионная стойкость под воздействием влаги.
После азотирования параметры твердости стали становятся более постоянными и стабильными. Обработанная поверхность сохраняет свою твердость даже при нагреве до 600 °C. В отличие от цементации, где твердость начинает снижаться при температуре свыше +225 °C, азотирование в два раза превосходит по прочности как закаливание, так и цементацию.
Специфика процесса
Заготовки помещаются в герметичную муфелевую печь, где они нагреваются до 600 °C и удерживаются в этом состоянии определённое время.
Для создания рабочей среды в муфель под давлением подводится аммиак (NH3). Нагрев вызывает реакцию разложения:
Выделяемый атомарный азот проникает вглубь заготовки, образуя на её поверхности твёрдые нитриды. Чтобы зафиксировать полученный результат и предотвратить окислительные процессы, муфель с печью подвергается медленному охлаждению.
В результате металлическая поверхность покрывается нитридным слоем толщиной до 0.6 миллиметров, что вполне достаточно для обеспечения требуемой прочности изделия. После завершения азотирования дополнительная обработка обычно не требуется.
Процесс азотирования нельзя назвать элементарным, однако он достаточно хорошо изучен. При этом образуются фазовые растворы, такие как Fe3N (8-11% N), Fe4N (5,7-6,1% N) и раствор азота в α-железе.
Образование α-фазы в структуре металла является следствием нагревания при азотировании, когда температура превышает +591 °C. Когда насыщение достигает максимума, возникает новая фазовая структура. При насыщении 2,35% N структура метала подвергается эвтектоидному распаду.
Популярные станки для обработки металла:
Рабочая зона стола составляет 1500х3000 мм, с источником лазера мощностью 2000 Вт от компании Raycus. Данный станок способен резать нержавеющую сталь толщиной до 8 мм и углеродистую сталь до 16 мм.
Сила, которую он может приложить, составляет 30 тонн. Длина гиба — 1600 мм, расстояние между колоннами составляет 1100 мм, а глубина зева — 180 мм. Мощность двигателя составляет 3 кВт.
Размеры другого стола — 800×420 мм, с нагрузкой до 500 кг. Перемещение по осям составляет 650 / 450 / 510. Количество инструментов — 16 единиц.
Типы азотирования:
Процесс азотирования представляет собой диффузию 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.
Рассмотрим кратко каждый из типов методов и поймём их различия.
Газовое азотирование
В процессе газового азотирования нагретая металлическая деталь подвергается воздействию безводного аммиака в печи. Повышение температуры приводит к разложению аммиака на азот и водород. Азот диффундирует в поверхность, формируя исключительно твёрдый нитридный слой.
В зависимости от области применения газовое азотирование может быть одно- или двухступенчатым процессом. Современные устройства позволяют контролировать процесс газового азотирования с высокой точностью. Эту технологию можно использовать для массового производства, ведь размер партии ограничивается лишь потоком газа и размерами печи.
Газовое азотирование более экономично по сравнению с другими методами, особенно с плазменным азотированием. Однако этот процесс может занимать много времени — в некоторых случаях до 80 часов. Газовое азотирование часто применяется для усиления зубчатых колёс против усталостных разрушений при контакте качения.
Азотирование в соляной ванне
При азотировании в соляной ванне материалы помещают в жидкую ванну, содержащую азотистую соль. Повышение температуры способствует тому, что азот из соли поступает на поверхность детали. В некоторых случаях еще добавляется углерод, что превращает процесс из простого азотирования в нитро-углероживание.
Этот метод обеспечивает большую диффузию азота в деталь по сравнению с газовым азотированием при одинаковой продолжительности времени. Процесс относительно прост и проходит быстрее, чем другие методы.
Азотирование в соляной ванне широко используется при производстве коленчатых валов, зубчатых колёс, инструментов и штампов.
Плазменное азотирование
Плазменное азотирование, также известное как ионное азотирование, использует ионизацию для внедрения азота в металлическую деталь.
Чистый азотный газ ионизируется в окружающей металлической подложке в результате создания сильного электрического поля. Ионы азота проникают в поверхность подложки и образуют твёрдые металлические нитриды.
Поскольку процесс зависит от ионизации азотного газа, для плазменного азотирования не требуются очень высокие температурные условия. Достаточно температуры 260 °C. Таким образом, плазма может быть как горячей, так и холодной. Холодная плазма генерируется с использованием вакуумных трубок.
Плазменное азотирование чаще всего применяется для закалки аустенитной нержавеющей стали, а также в производстве таких изделий, как медицинские и хирургические инструменты, автомобильные детали и строительные материалы.
Этапы азотного насыщения нержавеющих сталей
В предписаниях, касающихся азотирования, выделяются четыре этапа обработки металлической детали. Не стоит пренебрегать данными рекомендациями, так как строгое их соблюдение гарантирует высокое качество получаемой продукции.
Подготовительная обработка
Заготовки или детали из различных марок нержавеющей стали очищаются от масел и эмульсий. Например, нержавеющий шестигранник обезжиривается в ванне с бензином или электролитическим способом. Далее следует удалить или притупить острые кромки деталей. Этап шлифовки крайне важен, ведь от него зависит качество производимого продукта. Параллельно производится подгонка линейных размеров, так как от точности этих размеров зависит эксплуатационные характеристики готовой конструкции.
На поверхности нержавеющих сталей имеется тонкий оксидный слой, который препятствует образованию ржавчины. Однако он негативно влияет на равномерное азотирование. Поэтому после очистки детали подвергаются травлению концентрированной соляной кислотой при температуре от 50 до 90 градусов на протяжении 5 минут.
Закалка и обработка холодом
Большинство марок нержавеющей стали закаливаются при температуре от 1000 до 1050 градусов. Исключение составляют марки, например, 95х18, которые проходят закалку при температуре 950 °C. После нагрева детали удерживают в печи при необходимой температуре до полного превращения аустенита. Затем осуществляется быстрое охлаждение в масле или воде, чтобы зафиксировать мартенситную структуру, повысить твердость, прочность и коррозионную стойкость.
Отпуск
После закалки и охлаждения, с целью повышения пластичности и уменьшения внутреннего напряжения, деталь подвергается процессу отпуска. Операция включает нагрев материала до 160-180 градусов и медленное остывание на воздухе. Ускоренное охлаждение может привести к деформациям детали, то есть к искажению её формы.
Азотирование
Для повышения твердости, износостойкости и устойчивости к эрозии применяют азотирование высокохромистых сталей любым выбранным методом. Однако плазменное азотирование приобрело наибольшее предпочтение, поскольку этот процесс является экономически выгодным, автоматизированным и не требует большого числа сотрудников. Программа азотирования обеспечивает выход изделия с точно заданными параметрами диффузионного слоя.
На протяжении последних десяти лет учёные продолжают дискуссии о том, насколько азотирование помогает усовершенствовать поверхностный слой, учитывая довольно малую глубину упрочнения. Например, для некоторых марок нержавеющей стали азотирование не может гарантировать слой толще 0,15 мм. В некоторых случаях насыщение азотом может вызвать обратный эффект. Исследования марки X17CrNi16-2 продемонстрировали, что её коррозионные свойства могут быть усилены. Но продолжающиеся эксперименты с другими марками нержавеющей стали, в конечном итоге, уже позволили достичь понимания процесса и обеспечить высокоточный контроль. Современные технологические решения позволили увеличить качество продукции из нержавеющей стали на новый уровень и продлить срок службы ответственных деталей.
Этапы азотного насыщения
Для обеспечения качественного результата крайне важно придерживаться поэтапного регламента выполнения работ. Процесс разбивается на четыре стадии, каждая из которых имеет ключевое значение. Рассмотрим их подробнее.
Подготовительная термическая обработка
Перед началом самой процедуры деталь необходимо подготовить. Для этого её поверхность подвергается закаливанию при температуре от + 940 °C и выше (предельный температурный показатель зависит от типа материала). Для охлаждения закалённые изделия помещаются в воду или масло. Далее применяют метод термической обработки в диапазоне температур от + 600 до + 700 °C. Эта процедура направлена на достижение улучшенных характеристик пластичности, а также снижение общей хрупкости материала. При этом прочностные характеристики остаются неизменными.
Механическая обработка
Для придания изделиям должного внешнего вида выполняется шлифовка. Это позволяет очистить поверхность от заусенцев и других дефектов, которые могут оказать негативное влияние на качество готового продукта. Параллельно выполняется тонкая подгонка размеров и геометрии детали. Важность этого этапа заключается в том, что от соответствия форм и точности размеров изделий утвердённому проекту зависят их эксплуатационные характеристики. Для защиты участков поверхности, которые не требуют усиления, наносится плотное оловянное покрытие или жидкое стекло. Закрытые таким образом участки не восприимчивы к проникновению атомов азота, что позволяет сохранить кристаллическую структуру металла в данных областях без изменений.
Азотация
На этом этапе необходимо строго соблюдать температурный режим, предписанный отраслевыми стандартами и требованиями к качеству готовой продукции. Температура нагрева рабочей среды зависит от конкретной марки стали. Металлический сплав должен проходить температурную выдержку внутри камеры или резервуара на протяжении установленного времени. Для достижения равномерного распределения поверхностного слоя необходима строгое соблюдение обоих перечисленных параметров.
Финишная обработка
На завершающем этапе технологического процесса выполняется тонкая шлифовка и полировка поверхности, чтобы достичь требуемой геометрии. Игнорирование данного завершающего этапа недопустимо. Процесс азотирования металла осуществляется при достаточно высоких температурах, что может привести к незначительным изменениям размеров деталей. Даже небольшие отклонения от нормы могут привести к производственным недостаткам.
Заключение
Азотирование стали можно заказать в компании Profbau. Сотрудничество с нашими экспертами гарантирует получение ожидаемого результата, независимо от сложности поставленных задач. Мы предоставляем широкий спектр услуг по азотированию металлических заготовок, деталей, изделий и конструкций, используя опытные специалисты в этой области. В процессе всех видов работ применяем только высокоточное и производительное оборудование, соблюдая сроки выполнения договорных обязательств. Мы работаем со всеми категориями клиентов и поддерживаем контакт с заказчиками — как при личных встречах, так и через телефон или онлайн.
Преимущества компании Profbau:
- высокая квалификация и профессиональная подготовка сотрудников;
