Азотирование. Общее представление о процессе

Азотирование – метод химико-термической обработки, основанный на процессе диффузионного насыщения поверхностного слоя сталей и сплавов азотом. В процессе азотирования поверхность детали приобретает совокупный ряд исключительных свойств, которые невозможно получить другими методами:

- Твердость,
- Износостойкость,
- Коррозионная стойкость,
- Выносливость,
- Жаропрочность.

История развития азотирования.

Первым азотированием можно считать Делийскую колонну, датируемую 415 годом. Широкую известность эта колонна получила благодаря тому, что за 1600 лет практически избежала коррозии. Считается, что богатый аммиаком климат образовал на поверхности колонны слой нитридов, которые, в числе прочих факторов, повысили ее коррозионную стойкость.

Первые систематические исследования процесса азотирования были проведены в период с 1905 по 1914 год. Рядом ученых было обнаружено повышение поверхностной твердости поверхностного слоя стали при нагреве в атмосфере аммиака. Одним из основателей азотирования стал академик Н. П. Чижевский, который в этот период времени определил основные кинетические закономерности будущего процесса и создал прообраз установок для классического газового азотирования. В наше время газовое азотирование продолжило развитие в виде вакуумного и каталитического газового азотирования.
использовались

Наряду с газовым азотированием, в тридцатых годах двадцатого века, развитие получило азотирование в жидких средах. Для жидкого азотирования расплавы цианистых солей. Процесс азотирования в жидких средах достаточно дорогой и токсичный. При этом жидкий процесс азотирования проходит быстрее и с меньшими поводками детали, что позволили использовать этот процесс, некоторыми предприятиями по сей день.

Развитие технологий, а так же поиски источников свободного азота, привели к появлению ионо-плазменного азотирования. В 1932 году Бернард Бергхауз запатентовал процесс азотирования в тлеющем разряде. Компания «Клекнер-Ионон» была первой, кто в 60-е годы двадцатого века промышленно начал использовать ионо-плазменные технологии азотирования. В этом методе образование атомарного азота происходит за счет разрушения молекулярного азота силами электрического поля. За прошедшие пятьдесят лет метод получил значительное развитие и считается одним из перспективнейших направлений будущего.

Современные методы азотирования, их преимущества и недостатки.

На сегодняшний момент существует четыре метода азотирования. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому, в зависимости от выполняемой задачи, преимущество будет иметь та или иная технология:

Процессы, проходящие во время азотирование, их влияние на формирование азотированного слоя.

Первым этапом азотирования является процесс образования атомарного азота:

В случае газового азотирования азот образуется в результате разложения аммиака: 3NH₃=2N+3H₂

В случае ионно-плазменного азотирования идет разложение электрическим полем молекулярного азота: N₂=2N

В случае азотирования в расплавах азот образуется при распаде цианидов: 2KCN+2O₂=K₂CO₃+2N+2CO

После формирования атомарного азота начинается его адсорбция на поверхность металла. Эффективность этого этапа сильно зависит от качества поверхности, от ее шероховатости, состава, и прочих свойств. После адсорбции, под действием температуры, азот начинает проникать внутрь материала. В результате диффузии в каждой конкретной точке материала набирается определенная концентрация азота. В зависимости от концентрации образуется соответствующая фазовая составляющая слоя:

После завершения азотирования, на поверхности формируется два слоя: Слой соединений (состоящий в основном из ε и γ^´фазы) и слой диффузионный слой (состоящий из γ^´ фазы, азотистого феррита, нитридов легирующих элементов).

Меняя состав и давление атмосферы, используя катализаторы и прочие методы, мы увеличиваем или уменьшаем скорость поглощения азота материалом. Меняя температуру процесса, мы увеличиваем или уменьшаем скорость диффузии азота вглубь исходного материала. Этими манипуляциями мы регулируем толщину и фазовый состав (а как следствие и свойства) азотированного слоя. Подбор правильной технологии проведения процесса азотирования – важнейшее условие, для получение слоя с оптимальным набором свойств, необходимых для работы каждой конкретной детали.

Конечные свойства слоя определяет не только сам процесс азотирования, но и состав стали. Присутствующие в стали легирующие элементы могут образовывать высокопрочные нитриды, которые значительно повышают твердость и износостойкость итогового слоя. Во многих сталях именно нитриды легирующих элементов являются определяющим фактором в формировании свойств азотированного слоя. Наиболее важными, следи этих элементов, являются алюминий, ванадий, молибден, хром.

Практическое применение азотирования.

Лучшими сталями для азотирования считаются стали содержащие алюминий. Максимальная твердость азотированного слоя в сталях достигается при содержании алюминия в районе 0.7-1%. Сталь 38Х2МЮА – специально разработана для процесса азотирования, такие стали называют нитроллоями. На этой стали достаточно просто добиться слоя толщиной более 0,5мм, с твердостью поверхности порядка 900HV и более. Эта сталь является отличным материалом для шестерен, и других деталей, на которых требуется высокая твёрдость, износостойкость или коррозионная стойкость поверхности.

Стали содержащие Cr, V, Mo так же образуют высокоэффективную нитридную фазу. Эффект ниже чем от Al, но совокупное содержание этих элементов обычно достаточно высоко. Высоким содержанием Cr, V, Mo отличаются некоторые холодные и горячи штамповые стали, а так же быстрорежущие стали.

Азотирование холодных штамповых сталей значительно повышает их износостойкость. Пуансон из азотированной Х12МФ имеет твердость поверхности более 900 HV и около 60HRC в сердцевине.

Перспективным направлением видится повышение стойкости деталей из жаропрочных сталей, работающих с жидким алюминием. В своих работах академик Лахтин установил, что стойкость пресс-форм из 4Х5МФС, применяемых для литья алюминия под давлением, повышается в 4-5 раз, после азотирования на толщину 0.2-0.25мм.

Наравне со штамповыми сталями распространена практика азотирования инструмента из быстрорежущих сталей. Сохраняя твердость в сердцевине порядка 63HRC,на поверхности образуется слой твердостью до 1200HV (72HRC).

Примером эффективного применения азотирования на низколегированных сталях служит работа нашей компании. Выпуская буровое оборудование, мы провели работы по повышению ресурса буровых труб. Были отработаны технологии по азотированию и карбонитрации, которые повысили ресурс деталей в 4-6 раз. Применение вакуумного азотирования и карбонитрации так же позволило улучшить внешний вид нашей продукции, это стало ее отличительной особенностью по сравнению с обычными азотированными трубами, сделало продукт более узнаваемым и привлекательным на рынке.

Примером успешного использования азотирования на низколегированных сталях является наш клиент ИП «Богомолов А.А.». Компания специализируется на изготовлении штампов и пресс-форм, используемых в машиностроении, в том числе в производстве блоков из вязких инертных составляющих. Использование газового азотирования в вакуумных печах позволило получить на матрицах из стали 40Х стойкость равную стойкости матриц из дорогих высоколегированных материалов (Х12МФ). При условии, что стоимость материала снизилась в 5 раз, совокупный экономический эффект составил более 150%.

Список использованной литературы.

• «Азотирование и Карбонитрирование», Чаттерджи-Фишер Р. Москва, «Металлургия», 1991.
  
  
• «Теория и технология азотирования» Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. – «Металлургия» 1990
  
  
• «Азотный потенциал: современное состояние и концепция развития» В.М.Зинченко, В.Я.Сыропятов, Б.А.Прусаков, Ю.А.Перекатов – «Издательство «Машиностроение» 2003
  
  
• «Азотирование стали», Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. – «Машиностроение» 1976
  
  
• «Ионная химико-термическая обработка сплавов» Б.Н.Арзамасов, А.Г.Братухин, Ю.С.Елисеев, Т.А.Панайоти – Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 1999
  
  
• «Химико-термическая обработка при низком давлении» Презентация компании BMI, Philippe Lebigot.